М.Л.Дайчик
Н.И.Пригоровский
ПХ.Хуршудов
МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА
НАТУРНОЙ
ТЕНЗОМЕТРИИ
Справочник
МОСКВА « МАШИНОСТРОЕНИЕ » 1989

ББК 34.4я2 /
ДН
УДК [[531.781.2:621 ]:681.518.3]](035)
Рецензент д-р техн. наук Б. Н. Ушаков
Дайчик М. Л. и др.
Д14 Методы и средства натурной тензометрии: Справочник/
М. Л. Дайчик, Н. И. Пригоровский, Г. X. Хуршудов. —
М.: Машиностроение, 1989. — 240 с: ил. — (Основы
проектирования машин).
ISBN 5-217-00392-8
N
Приведены сведения о современных методах и средствах натурной
тензометрии, выполняемой на машинах и конструкциях, работающих
в экстремальных условиях, а также расчетные зависимости, используемые
при подготовке и проведении натурной тензометрии. Описаны первичные
преобразователи, приборы и информационно-измерительные системы для
определения статических и динамических деформаций, перемещений,
напряжений и давлений на натурных конструкциях, их уз,лах и моделях.
Для инженерно-технических работников, занимающихся
экспериментальными исследованиями напряженно-деформированного состояния при
проектировании, доводке образцов и эксплуатации машин, работающих
в экстремальных условиях.
2702000000—110
Д 038 (00-89 П°-89 ББК 34-4я2
ISBN 5-217-00392-8 © Издательство «Машиностроение», 1989

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава 1. Экспериментальные
методы определения полей
деформаций и напряжений
(Н. И. Пригоровский) , . .
Методы и средства исследо-
• вания
напряженно-деформированных состояний
конструкций
Выбор экспериментального
метода определения
напряженно-деформированного
состояния в зависимости от
задачи
Список литературы
Глава 2. Тензорезисторы
(М. Л. Дайчик)
Конструкции и основные
метрологические
характеристики тензорезисторов ....
Уравнение состояния и
выходной сигнал
тензорезисторов
Определение
метрологических характеристик
высокотемпературных
тензорезисторов
Характеристики
промышленных тензорезисторов . .
Влияние нейтронного
облучения на тензорезисторы. .
Список литературы . . . . .
Глава 3. Построение
информационно-измерительных
систем тензометрии (М. Л.
Дайчик)
Общая структура тензометри-
ческих систем
Обеспечение
инвариантности тензометрических
систем к температуре
Функции преобразования
тензометрических приборов
и систем ,
Список литературы
22
2?
29
29
33
36
39
43
45
46
46
49
52
56
Глава 4. Тензометрические
приборы и системы
(Af. Л. Дайчик) 57
Аналоговые приборы для
измерения и регистрации
статических и квазистатических
деформаций 57
Цифровые приборы и системы
для измерения статических
и квазистатических
деформаций 59
Приборы для измерения ста-
тодинамических и
динамических деформаций 66
Список литературы 68
Глава 5. Математическое
обеспечение сбора и первичной
обработки информации
(М. Л. Дайчик) 69
Особенности обработки
информации при
высокотемпературной тензометрии ... 69
Программное обеспечение
многоточечных систем для
статического и
квазистатического тензометрирования 72
Математическое обеспечение
систем динамического
тензометрирования 79
Список литературы 82
Глава 6. Методика и техника
натурной тензометрии
(Г. X. Хуршудов) 84
Применение тензометрии при
создании и эксплуатации
энергетического
оборудования 84
Основные элементы системы
натурной тензометрии ... 88
Испытания и проверка
элементов системы натурной
тензометрии при
подготовке и проведении
исследований 105
Проведение измерений при
испытаниях и обработка
результатов 113
Список литературы 116

в
Оглавление
/
Глава 7. Задачи натурной
тензометрии и их решение
(Н. И. Пригоровский,
Г. X. Хуршудов) 118
Механические величины,
определяемые тензометрией 118
Деформации упругих
элементов 120
Особенности задач и
исследований напряжений и на-
груженности конструкций
энергетического
оборудования 123
Натурные тензометрические
исследования конструкций
мощных паровых турбин 125
Натурные тензометрические
исследования конструкций
атомных реакторов
электростанций 131
Список литературы 141
Глава 8. Натурная
тензометрия в сочетании с другими
методами исследования
деформаций и напряжений
(Н. И. Пригоровский,
Г. X. Хуршудов)
Комплексное
использование экспериментальных и
расчетных методов
Определение деформаций и
напряжений в конструкциях
энергетического
оборудования при проектировании. .
Натурные тензометрические
142
142
142
исследования корпуса
реактора 151
Основные данные натурной
тензометрии корпуса
реактора 154
Исследования напряжений в
главных циркуляционных
трубопроводах 166
Список литературы 168
Приложение 1. Зависимости
деформаций и напряжений
(Н. И. Пригоровский). ... 170
Список литературы 194
Приложение 2. Извлечения
из методических указаний
МИ 1347—86 195
Приложение 3. Метод тензо-
метрических моделей из
низкомодульных материалов
(по Р-50-54-46-88) 206
Приложение 4. Метод хруп-
ч ких покрытий для
определения деформаций (по
MP 150-85 221
Приложение 5. Перечень
общесоюзных
нормативно-технических документов в
области экспериментальных
методов и средств исследования
напряжений и деформаций 232
Приложение 6.
Характеристики магнитографов 233
Предметный указатель .... 235

ПРЕДИСЛОВИЕ
Одной из важнейших задач
современного промышленного производства
машин, аппаратов и сооружений
является снижение материалоемкости
с одновременным повышением
надежности и ресурса по критериям
прочности. Развитие техники и создание
новых ее отраслей приводит к
ужесточению условий эксплуатации (высокие
и криогенные температуры, различные
физические воздействия, большие
перегрузки и т. п.), которые создают
большие трудности в решении этой задачи.
Важнейшим этапом решения
проблем обеспечения прочности и ресурса
при проектировании машин является
определение деформаций, напряжений,
перемещений и усилий, вызываемых
силовыми и тепловыми нагрузками.
Высокая эффективность современных
численных методов расчета с
использованием ЭВМ позволяет решать
многие задачи при проектировании машин,
включая оптимизацию формы и
размеров деталей. Однако
действительные нагрузки, обусловленные
спецификой эксплуатации машин, особенно
при аварийных и нештатных режимах,
могут существенно отличаться от
априорно принятых при
проектировании. Кроме того, в ряде случаев при
сложной конфигурации деталей и
различных сочетаниях воздействующих
на нее нагрузок численные методы
пока могут оказаться неэффективными
для расчета
напряженно-деформированного состояния из-за существенных
и часто необоснованных упрощений.
Поэтому для определения реальной
нагруженности деталей машин на
стадии проектирования, доводки-опытных
образцов, и особенно в реальных
условиях эксплуатации, большое
значение приобретают методы
экспериментальной механики и, в частности,
тензометрия. Натурная тензометрия
позволяет определить действительные
данные о напряжениях в деталях
машин и их детерминированных и
стохастических изменениях в рабочих
условиях, т. е. получить надежные
данные для оценки ресурса машины.
Натурную тензометрию необходимо
проводить применительно к условиям
работы исследуемого объекта с учетом
диапазонов изменения деформаций,
спектра частот исследуемого процесса,
а также необходимости и возможности
обработки информации в реальном
масштабе времени. Одной из
труднейших задач натурной тензометрии
является защита средств измерения от
воздействия агрессивных сред,
потоков теплоносителя и других
физических воздействий при сохранении
требуемой малой тепловой и
механической инерционности.
Современный тензометрический
эксперимент, как правило, требует
одновременной и синхронной регистрации
деформаций и других величин,
обусловливающих режим работы машин
и их изменение во времени (силы,
давление, температуры, обороты,
скорость движения, время и т. п.),
поэтому в последнее время находят все
большее применение информационно*

8
ПРЕДИСЛОВИЕ
/
измерительные системы (ИИС),
позволяющие решать эту задачу.
Естественно, что наряду с ИИС
используют и отдельные приборы,
необходимые во многих случаях для решения
ограниченных задач.
Проведение натурной тензометрии
всегда опирается на анализ
напряженно-деформированного состояния
исследуемого объекта, выполненный
расчетными методами и экспериментами
на моделях. Это позволяет обоснованно
выбрать расположение измерительных
точек и минимизировать их число.
Справочник содержит сведения о
методике постановки тензометр иче-
ских экспериментов, методах" и
средствах измерения деформации,
рекомендации по технике натурной
тензометрии и способах обработки
экспериментальных результатов. Приведенные
данные иллюстрируются примерами
тензометрических исследований
натурных конструкций энергетического
оборудования на стадиях
проектирования, монтажа, пусконаладочных
работ и эксплуатации. При этом
использован опыт исследований Института
машиноведения АН СССР совместно
с рядом промышленных предприятий.

Глава
Деформации и напряжения в
заданных точках или сечениях детали
определяют путем тензометрии. Задачу
определения полей деформаций и
напряжений решают в случаях, когда
в элементе конструкции необходимо
выявить наиболее напряженные точки
и сечения и значения напряжений
в них или получить для расчета
значения градиентов деформаций и
напряжений. Кроме того, определение
полей деформаций и напряжений
необходимо при решении задачи
оптимизации нагруженных конструкций
по условиям обеспечения прочности,
жесткости и снижения их
материалоемкости, а также в тех случаях, когда
распределение деформаций и
напряжений в процессе работы конструкции
меняется. Экспериментально поля
деформаций и напряжений определяют
тензометрией натурных конструкций
или с применением других
соответствующих экспериментальных
методов.
Поля деформаций и напряжений
будут определены, если известно
напряженно-деформированное состояние
в каждой точке рассматриваемой зоны
детали или узла конструкции. Под
точкой понимают элемент,
выделенный из детали шестью взаимно
перпендикулярными гранями в виде
бесконечно малого параллелепипеда.
Поля деформаций и напряжений
определяют при разработке и
проведении натурной тензометрии сложных
конструкций, в которых характер
распределения деформаций и напряжений
неизвестен и требуется уточнить
задачу тензометрии. Постановка задач
и анализ данных натурной
тензометрии облегчается предварительным
измерением полей деформаций при
известных соотношениях нагрузок.
Получают также сведения, необходимые
для оптимизации конструкций и
снижения их материалоемкости по усло-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ
И НАПРЯЖЕНИЙ
виям прочности. Указанные далее
методы экспериментального определения
полей деформаций, напряжений и
перемещений используют в условиях
лабораторных, стендовых испытаний и при
эксплуатации натурных конструкций
при статической, динамической и
тепловой нагрузках. Способы применения
рассматриваемых экспериментальных
методов здесь не приведены, но даны
ссылки на публикации, где можно
найти необходимые сведения.
Примеры применения данных о
напряженно-деформированном ,
состоянии, а также лабораторных и
стендовых испытаний конструкций и их
моделей при расчетах на прочность и
ресурс представлены в книгах [5, 11].
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
ИССЛЕДОВАНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫХ состояний
конструкций
По преимущественному
использованию различают методы определения
полей деформаций и напряжений и
методы измерений по точкам. При
определении полей деформаций и
напряжений по точкам необходимо
проводить измерения в достаточно густо
расположенных точках.
Основные характеристики
экспериментальных методов определения
полей деформаций, напряжений и
перемещений приведены в табл. 1, 2, 3
(см. также [14]).
Хрупкие тензочувствительные
покрытия. На исследуемую поверхность
детали или узла конструкции наносят
тонкий слой хрупкого покрытия, в
котором при приложении нагрузки
получаются такие же деформации, как
и в точках поверхности. Когда с
увеличением нагрузки относительное
удлинение (или растягивающее
напряжение) в какой-либо точке поверхности

1. Основные характеристики экспериментальных методов определения полей деформаций и напряжений
Характеристика
База измерений, мм
Порог чувствительности (в значении
относительной деформации)
Диапазон измерения, относительная
деформация, %
Условия измерений
Температура детали при
измерениях, °С
Способ снятия показаний
Дистанционность измерений
Сложность измерительной
аппаратуры
Возможность автоматизации
измерений и обработка данных измерений
Длительность подготовки с
проведением первого измерения в одной точке
(ориентировочно), ч
Хрупкие тензочувстви-
тельные покрытия

газопламенные
канифольные
оксидные

наклеиваемые
«0
1-Ю"4
0,024-0,2

Лабораторные,
стендовые
5—40
Оптически
чувствительные
покрытия
1 Z
5-10"в
0,014-5
Лабораторные, стендовые,
эксплуатационные
±200
Визуальный,
фотографирование
Зависит от способа
наблюдения трещин в
покрытии
Малая
Не применяется
5
20
/
—204-150
Визуальный,

фотографирование,
цифровая запись
Применяется

телерегистрация

Делительные сетки
0,2—5
ЬЮ"3
0,24-200

Лабораторные,
стендовые
—204-600

Фотографирование
Не очень
Обработка данных
измерений на ЭВМ
20
10
Поляризационно-
оптический метод *
Плоские
модели
«0
2.10"в
0,0014-1
Объемные
модели
(замораживание)
1
МО"6
0,014-5
Лабораторные
Нормальная
Визуальный,
фотографирование, запись кривых
Ограничена
сложная
Автоматизация
измерений и обработка данных
измерений на ЭВМ
10
30
* Характеристики для моделей из эпоксидного материала.

2. Основные характеристики экспериментальных методов измерения полей перемещений и определения
по ним полей деформаций и напряжений **
Характеристика
Форма поверхности детали
Вид измеряемых перемещений
Порог чувствительности; мкм
Измеряемые компоненты перемещений
Погрешности измерений компонентов
перемещений, мкм:
по нормали
тангенциальные
Диапазон измеряемых перемещений, мкм
Условия измерений
Способ снятия показаний
Диетанционность измерений, м
Основная измерительная аппаратура
Автоматизация измерений и обработка
результатов
Длительность обработки
экспериментальных данных
Метод муара
Методы когерентной оптики 2*
Голографическая
интерферометрия
Спекл-
фотография
Спекл-
интерферо-
метрия
Квазиплоская | Произвольная Квазиплоская
Статические, динамические Статические
0,5 1 0,3 3 | 0,3
Тангенциальные, нормальные Полный вектор В плоскости поверхно-
и отдельные ком- сти (тангенциальные)
поненты
0,2 0,02 — 1 —
0,5 0,2 0,2 0,1
Мч-ЫО5 0,3-^-50 1 Зн-500 14-50
Лабораторные, стендовые, экс- Лабораторные, стендовые Лаборатор-
плуатационные [ ные
Фотографирование, киносъем- Фотографирование
ка, телерегистрация
До 10 До 23* | До 1
Эталонные сетки, бездистор- Голографический стол (с нагрузочным стен-
сионный объектив, фотокамера дом)
Денситеметрия, цифровая об- На отдельных этапах работ — с применением
работка изображений | ЭВМ, цифровая обработка изображений
Значительная 1 Малая 1
Значительная
1# По данным О. А. Левина, В. П. Щепинова, В. В. Яковлева.
2* При использовании тел ий-неонового или аргонового лазера.
3* Может быть увеличена до 10 м при использовании ионного лазера.

3. Основные характеристики методов измерения деформаций по точкам
Характеристика
Вид измеряемых деформаций
База измерений, мм
Наибольшая измеряемая
относительная деформация, %
Погрешность измерений (в
значении относительной
деформации)
Диапазон частот измеряемых
деформаций, Гц
Способ снятия показаний
Условия измерений
Дистанционность измерений
Температура измерений
Механические воздействия на
исследуемую деталь
Длительность подготовки и
проведения первого измерения
в одной точке, ч
Длительность обработки
экспериментальной информации, ч
(или возможность
автоматизации)
Тензометры

механические
оптико-

механические
Статические
5—200
2
ью-4
1 2—200
0,5
МО"6
0—2
Визуальный
Лабораторные,
стендовые
Отсут- 1 Ограни-
ствует 1 чена
Нормальная,
повышенная
При отсутствии
вибрации
0,1 1
0,2
0,5—12

электрические,
с тензоре-
зисторами
индуктивные
(со средней
и большой
базой)
струнные
Статические и динамические
0,3—100
20
5-Ю-4
0— МО5
4—200
50
2-Ю-5
0—500
Визуальный,
фотографический, цифропечать
кодовая, магнитная
Лабораторные,
стендовые, эксплуатационные
Значительная
Нормальная, высокая
Любые
1
Возможна
автоматизация обработки в
процессе эксперимента
20—100
1
5-10"3
0—100
Метод
реплик

Рентгеновская
тензометрия
Статические
1—10
20
2; Ю-3
1—5
0,5
2-10"4
-
0
Визуальный, фотографический

Эксплуатационные
, низкая
2
Лабораторные
Отсутствует
Нормальная
При отсутствии
вибрации
5
В зависимости от задачи и средств
обработки

Исследование напряженно-деформированных состояний конструкций 13
детали достигает определенного
значения, представляющего собой
постоянную покрытия, то в точке
покрытия возникает трещина. По мере
увеличения нагрузки трещины в
покрытии распространяются от более
нагруженного к менее нагруженному
месту. В точках концов трещины
главные Напряжения (деформации) равны
постоянной покрытия, что при
достаточно стабильном значении
постоянной покрытия дает возможность
количественного определения главных
напряжений (деформаций). Таким же
образом находят нагруженные и мало-
нагруженные зоны и совпадающие
с трещинами в покрытии траектории
главных напряжений. При снятии
нагрузки трещины в покрытии
сохраняются. Метод количественного
определения главных напряжений
(деформаций) особенно эффективен при
исследовании конструкций с большой
неравномерностью поля напряжений.
Хрупкие покрытия, разработанные
в ИМАШе АНгСССР, обладают
стабильным значением постоянной
покрытия и обеспечивают получение
количественных оценок при различных
температурах и условиях эксперимента
без применения других средств
измерений [14].
Покрытие канифольного типа
горячего напыления допускает колебания
температуры npij проведении
измерений до ±3 °С при отсутствии воды и
масел. Трещина в покрытий образуется
при определенном значении главного
растягивающего напряжения с
отклонением в пределах ±15%.
Обеспечивается весьма оперативное выполнение
всего эксперимента.
Оксидное наклеиваемое покрытие для
измерений при переменных
температурах допускает наличие воды, масел
и др. Трещина в покрытии образуется
при определенном значении главной
растягивающей деформации с
отклонением в пределах ±10 %.
Указанные типы покрытий
применимы при измерениях на поверхностях
деталей и узлов натурных конструкций
и их моделях, включая зоны
концентрации, а также вне зон контакта.
Материал деталей, узлов и моделей
может быть любым; поверхность не
требует обработки и должна быть чистой.
Вследствие малой толщины покрытия
(0,1 мм) можно измерять деформации
при большем их градиенте на
поверхности. Возможно определение полей
упругопластических деформаций на
отдельных уровнях нагрузки с оценкой
напряжений с помощью диаграммы
деформирования материала детали.
Для измерения динамических
деформаций необходима соответствующая
градуировка хрупкого покрытия в
зависимости от скорости изменения
деформации во времени. -Деформации
на деталях и узлах конструкций можно
измерять в течение определенного
цикла работы машины, используя
покрытия с различной тензочувствитель-
ностью.
Для измерения полей деформаций
при температурах до 400 °С могут быть
применены эмалевые хрупкие
покрытия, запекаемые на исследуемой
детали, менее стабильные по тензочув-
ствительности и термокомпенсирован-
ные для измерения температурных
напряжений.
Оптически чувствительные
покрытия. На поверхностях исследуемых
детали или узла конструкции из
любого материала наклеивают покрытия
толщиной 0,5—3 мм из прозрачного
оптически чувствительного материала
таким образом, чтобы деформации в
результате нагружения в точках
соединения покрытия и поверхности детали
были равны. После или во время
нагружения детали покрытие
просвечивают поляризованным светом, который
отражается от поверхности детали или
внутренней поверхности покрытия.
Двойное лучепреломление при
прохождении покрытия в прямом и
обратном направлениях связано с
возникающей в покрытии деформацией
и может быть измерено
отражательным полярископом. Измеряемые
порядки полос интерференции
определяют разности главных напряжений
внутри контура покрытия и
напряжения на свободном контуре детали.
Измерения могут быть выполнены при
статической и динамической
нагрузках. Значения измеряемых
относительных деформаций зависят от материала
покрытия [2, 9, 14].
При применении этого метода
сочетаются преимущества тензометрии

14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ /
(измерение упругих и пластических
деформаций на натурных деталях)
и поляризационно-оптического метода
исследования на, прозрачных моделях
(определение полей деформаций и
измерение на малых базах). Погрешности
измерений деформаций по методу
компенсации составляют ±0,02 полосы
интерференции, что при толщине
покрытия из эпоксидного материала
в 2 мм соответствует погрешности
определения нормальных напряжений
в стальном образце в 6 МПа;
погрешность измерений угла направлений
главных деформаций ±2°.
Дистанционные измерения порядков полос
выполняют, записывая данные на
магнитную ленту с помощью
видеомагнитофона или с применением
телевизионных систем. ,
Применяя оптически
чувствительные покрытия, определяют поля
упругих и пластических деформаций и
напряжений на поверхностях деталей
и узлов конструкций; места
наибольших напряжений; коэффициенты
концентрации деформаций и напряжений;
динамические деформации в деталях
и узлах машин; остаточные
напряжения, в том числе трехмерные, с
разрушением исследуемой детали [2].
Осуществляют длительные
наблюдения за состоянием конструкций в
процессе эксплуатации, изучают
протекание пластических деформаций и
развитие трещин в конструкциях.
Методы муаровых полос, сеток и
реплик основаны на геометрических
эффектах;> их* относят к
оптико-геометрическим методам. При
определении полей деформаций в связи с
изучением критериев разрушения при
постоянных и циклических нагрузках
и температурах от —196 до +600 °С
метод муаровых полос и метод
делительных (координатных) сеток взаимно
дополняют друг друга: методом
муаровых полос измеряют поля
деформаций на расстоянии от зоны
образования трещин; методом делительной
сетки измеряют большие местные
деформации непосредственно в зоне
образования трещины [14, 15].
Методом муаровых полос
определяют поля перемещений и по ним поля
деформаций в плоскости поверхности ч
детали, или же поля перемещений по
нормали к поверхности детали.
Измерения перемещений в плоскости
поверхности детали основаны на
геометрическом эффекте, получаемом при
совмещении изображения рабочего
растра (обычно сетка с шагом 0,5—
0,01 мм), нанесенного на поверхность
детали, с неизменяющимся эталонным
растром с тем же или несколько
отличным шагом сетки. Места
пересечения двух растров образуют полосы
муара, в точках которых перемещения
в направлении линий эталонного
растра постоянны. При измерении
перемещений по нормали к поверхности
отражение от зеркальной поверхности
детали экрана с нанесенной сеткой
фотографируют до и при деформации
на один и тот же негатив.
Образующаяся картина муаровых полос дает
линии равных углов поворота
нормалей в точках исследуемой
поверхности [9].
Определение полей деформаций
включает получение и регистрацию
муаровых полос, их обработку,
аппроксимацию и дифференцирование значений
перемещений для определения
деформаций. По картинам полос,
полученным последовательно в трех
направлениях линий эталонной сетки,
находят три компоненты деформаций
в плоскости исследуемой поверхности.
При использовании рабочего и
эталонного растров с шагом до 0,01 мм можно
проводить измерения пластических
деформаций вплоть до статического
разрушения, но при значениях
градиентов деформаций до 0,5 мм"1.
Современное развитие техники измерений
позволяет существенно повысить
чувствительность метода муаровых полос,
обеспечить дистационность измерений,
необходимую при исследованиях
нагреваемых и охлаждаемых деталей, и
проводить измерения при циклически
меняющихся и динамических
нагрузках. Это достигнуто в результате
применения растров с малым шагом (до
1000 лин/мм), автоматизированной
цифровой обработки изображений с
регистрацией дробных порядков полос
интерференции, оптики с высокой
разрешающей способностью [10].
Метод с применением отраженной
сетки (зеркально-оптический метод)
заключается в том, что по искаженному

i Исследование напряженно-деформированных состояний конструкций 15
1 "
при! деформации отражению сетки
определяют углы поворота нормалей
к исследуемой поверхности.
Эксперимент и обработка результатов
измерений выполняются сравнительно просто.
Общая погрешность составляет 3—5 %.
Метод применим при силовых и
тепловых нагрузках и для измерений на
криволинейной поверхности.
Регистрация измерения картин поля
деформаций выполняется с применением
кинокамеры. Используется для
определения временных и остаточных
деформаций при сварке [9].
Применение делительных сеток
наиболее эффективно при определении
полей пластических деформаций в
зонах образования трещин на
поверхности исследуемой детали, так как
они дают возможность измерять
большие деформации и их градиенты при
малых размерах зон концентрации.
Сетку наносят на исследуемую
поверхность фотоспособом, травлением
или накатыванием с тангиров или
матриц обычно в £иде взаимно
перпендикулярных линий толщиной 0,01—
0,05 мм с шагом 0,1—5 мм. Применяют
встроенные сетки внутри детали (или
модели) из прозрачного материала.
Длины сторон элементов сетки и
углы сдвигов линий сетки на детали
или негативе измеряют с помощью
микроскопа (X 10-М00) и угломера,
снабженных координатным
устройством. Общая погрешность зависит
от базы измерений и значений
деформаций и составляет 0,5—5 % от
измеряемой величины. Для перехода от
пластических деформаций к
напряжениям используют диаграммы
«истинное напряжение — истинная дефор-*
мация», получаемые на образцах из
материала исследуемой детали, а также
соотношения деформационной теории
пластичности или пластического
течения. Подсчет деформированного
состояния, по данным
автоматизированных измерений перемещений узлов
сетки, осуществляют методом
кусочной аппроксимации с использованием
ЭВМ.
Метод реплик заключается в
регистрации царапин в виде нерегулярной
сетки путем точного снятия копий
(реплик) до и при нагружении
исследуемой детали (или же после ее
работы при наличии пластических
деформаций). Отпечаток сетки получают
на металле с применением
соответствующего приспособления.
Размер наблюдаемой области составляет
20X20 мм. Длительное наблюдение
за состоянием натурной конструкции
[14] проводят этим методом.
Голо графическая интерферометрия.
Основой новых высокоточных и
бесконтактных оптических методов
измерения полей перемещений при
статических и динамических нагрузках и
определения по ним полей деформаций
является использование лазеров. К ним
относятся голографическая
интерферометрия (измерение поля перемещений
в направлении биссектрисы между
лучами освещения и наблюдения;
высокая чувствительность), спекл-фото-
графия (измерение перемещений в
плоскости, нормальной к направлению
наблюдения; более низкая
чувствительность) ; спекл- интерферометрия
(интерференция поля, имеющего спекл-
структуру, с плоской опорной волной)
[4]. Измерения можно выполнять в
деталях объемной формы с неплоскими
поверхностями и рассеивающим
отражением, тогда как классическая
интерферометрия применима лишь при
зеркальных плоских поверхностях.
Для определения относительных
деформаций проводят
дифференцирование полученного поля перемещений
по точкам или используя
автоматизированные методы обработки картин
полос интерференции [10].
Основное применение голографиче-
ской интерферометрии относится к
измерению векторов перемещений,
нормальных к поверхности
деформируемого объекта. В голографической
интерферометрии верхний предел
измеряемых перемещений может быть
расширен до миллиметровой области с
использованием эффекта муара; порог
чувствительности составляет
половину длины волны используемого
источника света (для гелий-неонового
лазера 0,63 мкм). Предельные размеры
исследуемого объекта зависят от
мощности лазера. Для исследования
объектов, перемещающихся при
эксперименте относительно голографического
стола, осуществляют крепление
регистрирующего материала на объекте

16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ
исследования или используют голо-
графические импульсные установки.
Спекл-фотография и спекл-интер-
ферометрия, как и голографическая
интерферометрия, в связи с
использованием лазера относятся к методам
когерентной оптики. При освещении
высококогерентным лазерным светом
на поверхности диффузно отражающих
объектов наблюдается зернистая
(спекл) структура, а также получаемая
на экране система
интерференционных полос. Спекл-фотография и спекл-
интерферометрия более чувствительны
к перемещениям в плоскости,
нормальной к направлению освещения, и
позволяют измерять перемещения от
нескольких микрометров до нескольких
миллиметров. Спекл-фотография дает
возможность получать картины
производных от перемещений (прогибов).
Нижний предел измеряемых
перемещений (3—4 мкм) ограничен размерами
отдельных зерен изображения,
верхний предел зависит от размеров
высвечиваемой зоны и оценивается долями
миллиметра.
Применение методов когерентной
оптики позволяет решать следующие
задачи: определение трехмерных
перемещений и по ним деформаций точек
поверхности деталей и узлов сложной
формы при силовых и тепловых
нагрузках; регистрация и контроль форм,
частот и амплитуд собственных и
вынужденных колебаний неподвижных
и движущихся деталей; изучение
неустановившихся динамических
перемещений и деформаций; изучение на
металлических образцах и деталях
развития пластических деформаций,
в том числе в зонах вершины трещин,
и определение коэффициентов
интенсивности напряжений; количественное
исследование процессов ползучести;
обнаружение при испытаниях
материала и деталей по изменению
структуры освещаемой зоны начальной
стадии усталостного повреждения и
регистрацию развития этого процесса; не-
разрушающий контроль материалов и
деталей [4].
Поляризационно-оптический метод
исследования напряжений на
прозрачных моделях. Этот метод исследования
напряжений (разделы метода:
фотоупругость, фотопластичность, фото-
вяз коу пру гость, динамическая
фотоупругость и др.) позволяет определять
поля деформаций и напряжений, при
действии известным образом
расположенных нагрузок. Модели выполняют
подобными по форме и нагрузке
исследуемой детали или конструкции и
просвечиваются в полярископе;
Метод основан на свойстве прозрачных
материалов становиться двоя копре-
ломляющими при создании в них
деформаций. Разности главных
напряжений и их направления в плоскости
наблюдения определяют по картине
полос интерференции или по точкам
при просвечивании плоской модели
или среза замороженной объемной
модели. По напряжениям в модели,
используя формулы подобия, находят
значения напряжений или их
относительное распределение в натурной
конструкции [2, 13, 14, 18]. В общем
случае объемного напряженного
состояния при шести неизвестных
компонентах напряжений в точке необходимо
применение дополнительно другого
экспериментальнрго метода или
расчета для раздельного определения
главных напряжений. Однако когда-
требуется определять напряжения на нена-
груженной поверхности объемной или
плоской упругой модели, достаточно
наблюдения в обычном полярископе.
Поляризационно-оптический метод
позволяет получать поля напряжений
по сечениям и внутри объема модели,
выполнять измерения в зонах
концентрации напряжений на весьма
малых базах, обладает высокой
точностью, наглядностью и достаточной
простотой. Развитие метода
обеспечило его использование как рабочего
инструмента при проектировании
новых конструкций для решения задач
прочности, снижения
материалоемкости и усовершенствования методов
расчета. Примеры решений приведены
в публикациях [7, 12—14, 17, 18].
Метод измерения на плоских
упругих моделях весьма прост, не требует
сложного оборудования и обеспечивает
высокую точность даже при
значительной концентрации напряжений
(с применением крупных моделей).
Измерения на плоских моделях
проводят в случаях плоского напряженного
и деформированного состояния дета-

Исследование напряженно-деформированных состояний конструкций 17
\ — : = =
лей и деталей, имеющих плоскость
симметрии. Применение плоских
моделей позволяет легко проводить
оптимизацию формы детали
последовательным удалением материала в
менее Напряженных местах и
сопоставления нескольких последовательно
выполняемых форм детали. Для
исследования на моделях объемного
напряженного состояния применяют методы
«замораживания», рассеянного света,
моделей из различных оптически
чувствительных материалов,
интегральной фотоупругости, фиксации
деформаций при нормальной
температуре (метод полимеризации),
фиксации при вязкоупругой деформации
(метод ползучести) [1, 14, 17].
Метод «замораживания-» является
универсальным и наиболее часто
применяемым при решении трехмерных
упругих задач. После
«замораживания» модель разрезают на срезы.
Метод позволяет находить напряжения
во всех точках модели любой формы
при действии Статической нагрузки и
известном поле температур.
Недостатки метода:, при нагружении модели
с протяженными элементами,
воспринимающими изгиб или кручение,
возможно недопустимое искажение формы
модели; метод не применим при
динамических деформациях; коэффициент
Пуассона материала модели нри
«замораживании» близок к 0,5, что
отличается от коэффициента Пуассона
материала натурной конструкции и на
модели в общем случае объемного
напряженного состояния не позволяет
найти раздельно значения главных
напряжений.
При исследовании силовых
напряжений методом рассеянного света модель
при нормальной температуре
нагружают и просвечивают лучом или
плоским пучком поляризованного света.
Преимущества метода: не имеет
ограничений метода «замораживания»;
позволяет измерять пластические
деформации на нагруженнойv прозрачной
модели и детали и остаточные
напряжения в прозрачных деталях объемной
формы [13]. Модели со слоями
выполняют из прозрачного оптически
нечувствительного материала - (ОНС)
с вклейками одного — двух слоев
оптически чувствительного материала.
Преимущества метода: нагружение
модели и измерения выполняют при
нормальной температуре; метод применим
для измерений напряжений на
объемных моделях при динамическом
нагружении [13, 79]. Метод
интегральной фотоупругости позволяет решить
объемные упругие задачи без
разрезки моделей. "Используют
интегральную картину полос интерференции
и измеряемые характеристические
направления [1].
Метод динамической фотоупругости
применяют при различных видах
динамического нагр ужения, в том числе
импульсном, и различных граничных
и начальных условиях. Измерение
полей деформаций и перемещений
проводят на просвечиваемых моделях из
«жестких» материалов и, с
применением оптически чувствительных
покрытий, на деталях и моделях из
материалов натурных конструкций.
Средства регистрации:
высокоскоростные камеры для покадровой съемки
в режиме «лупы времени»
(длительность экспозиции 1 • 10~6-f-1 • 10~8 с)
и для непрерывной развертки
изображения в режиме фоторегистратора [18].
Термоупругие напряжения, если
расчет затруднен, определяют на
прозрачных моделях (методом фототермо-
упругости) созданием в модели
охлаждением или нагревом температурного
поля, подобного имеющемуся в
натурной конструкции, или же путем
механического воспроизведения по
известному температурному полю
«свободных» температурных дилатаций в
элементах модели. При решении
практических задач применяют второй
указанный метод, который более удобен
для реализации, но имеет
ограничения: при неоднородном поле
температур модель необходимо составлять из
большого числа элементов; в сложной
объемной модели затруднено
обеспечение условии сопряжений в стыках
элементов при- коэффициенте Пуассона
материала модели при
«замораживании», равном 0,5.
Неупругие задачи ползучести и
пластичности решают поляризационно-
шгтическим методом на модельных
просвечиваемых материалах, хотя
применение моделей из материала натур-
-ной-консцрукции существенно облегча-

18
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ
ет выполнение условии моделирования
[2]. Ползучесть металлических
деталей при повышенной температуре
исследуется на моделях из целлулоида
с постоянными внешней нагрузкой и
температурой.
Задачи пластичности в
макрообластях решают на моделях
из полимерных материалов и так
называемых прозрачных металлов
(хлористое серебро и др.), имеющих
механические характеристики, подобные
материалам деталей, а также путем
экспериментальной реализации метода
упругих решений. Имеются решения
задач вязкоупругости на моделях из
эпоксидных материалов, нагретых до
определенных температур, и на
моделях из полиуретановых эластомеров
[2,9, 13].
Метод тензометрии. На поверхности
деталей устанавливают тензометры или
их первичные измерительные элементы.
Измерение полей деформаций является
одной из задач тензометрии и
выполняется на натурных деталях и
конструкциях или их моделях при
статических, динамических и тепловых
нагрузках. В результате измерений
определяют компоненты напряжений
в различных точках детали и
конструкции и по ним устанавливают места
и значения наибольших напряжений,
по которым проводят расчетную оценку
прочности и ресурса конструкции.
Этот результат используют также при
натурной тензометрии конструкций.
Измеряемую величину находят по
разности показаний, получаемых после
нагружения и до него. В большинстве
тензометров приращение показания
зависит от среднего значения деформаций
вдоль отрезка линии (базы), где
установлен тензометр. Измерение линейных
деформаций в точке нескольких (или
одном) направлений позволяет по
формулам и с учетом характеристик
материала детали найти в этой точке
значения главных деформаций и
напряжений, их направления и другие
параметры
напряженно-деформированного состояния (см. приложение 1).
Усилия в сечениях детали и
прилагаемые к ней нагрузки находят по
показаниям тензометров в этом
сечении или с применением тензометриче-
ских преобразователей для измерения
сил, давлений, моментов, ускорений
и др. (см. гл. 7). I
Тензометр представляет собой точное
измерительное средство,
позволяющее регистрировать весьма малые
деформации. Например, если допустить
погрешность определения
напряжения о = 200 МПа в стальной детали
при линейном напряженном
состоянии в 2 %, то требуемая и
обеспечиваемая чувствительность тензометра,
выраженная через относительную
деформацию, As = Ао/Е = 20/(2-106) =
= 1-10"6; чувствительность,
выраженная через линейную деформацию,
As = sAe = 0,05 мкм при базе s =
= 5 мм.
В связи с разнообразием решаемых
задач и условий измерений существует
большое число типов тензометров,
различных по своим характеристикам и
назначению. Наиболее
универсальным тензометром, обеспечивающим
проведение тензометрии в различных
условиях, является электрический
тензометр с тензорезисторами, с
автоматизацией измерений и обработкой данных
измерений на ЭВМ. Эта система
наилучшим образом обеспечивает при
дистанционности и многоточечности
измерений выполнение натурной
тензометрии конструкций, работающих при
переменных режимах в сложных
температурных условиях.
Разработанная в Институте
машиноведения
информационно-измерительная система тензометрии при высоких
температурах (ИИСВТ),
рассмотренная в гл. 4 и 5, обеспечивает
длительные тензометрические исследования
натурных конструкций современного
энергетического оборудования в
экстремальных условиях при его
испытании, наладке и эксплуатации.
Сведения о. других типах тензометров
для измерения деформаций и тензо-
метрических информационно^
измерительных систем (ИИС), их
характеристиках и применении приведены в
работах [9, 16].
Тензометрический контроль
состояния конструкций осуществляют с
применением индикаторов
распространения хрупкой трещины и индикаторов
усталостных повреждений. Для оценки
скорости распространения хрупкой
трещины на пути ее развития устанав-

Исследование напряженно-;
ливвют индикатор в виде тензорези-
стора из параллельно включенных
тензрнитей, последовательный обрыв
которых скачкообразно увеличивает
общ4е сопротивление тензорезистора.
Существуют индикаторы усталостных
повреждений, основанные на
существований устойчивой зависимости между
изменением начального электрического
сопротивления индикатора и числом
циклов нагружения детали, на
которой установлен индикатор, или же
развитием в контролируемой зоне
процесса усталости.
Неразрушающие методы контроля
деталей и конструкций машин по их
состоянию и дефектам могут
выполняться с использованием средств
натурной тензометрии. Наибольший
объем проводимого неразрушающего
контроля относится к деталям и
конструкциям, выполненным с
применением сварки. Основные виды
неразрушающего контроля выполняют в
зависимости от условий с применением
средств измерений, основанных на
использовании различных физических
принципов.
Определение полей деформаций и
напряжений при натурной тензометрии,
оценке прочности и оптимизации
конструкций. Тензометрические модели из
материала с низким модулем упругости
являются эффективным средством
определения полей деформаций и
напряжений при подготовке и проведении
натурной тензометрии конструкций
(см. гл. 7). Модель детали или
конструкции, воспринимающей силовую
нагрузку при деформациях в
пределах упругости, выполняется из
полимерного материала с низким модулем
упругости (эпоксидный материал,
органическое стекло) с соблюдением
масштабов геометрического и силового
подобия. Модель в лабораторных
условиях нагружают при нормальной
температуре. Возникающие при
приложении нагрузок деформации и
перемещения измеряют наклеиваемыми
тензорезисторами и индикаторами
перемещений (стрелочными
индикаторами, тензометрическим и
преобразователями перемещений). При этом
в модели вследствие возможности
применять малые нагрузки
обеспечивается линейная зависимость между де-
состояний конструкций 19
формациями и напряжениями,
отсутствие искажений формы и нарушений
условий подобия в местах контакта
частей модели [14].
Метод тензометр ических моделей из
материала с низким модулем
упругости имеет следующие существенные
преимущества: возможность
выполнения объемных моделей сложных
деталей и конструкций, в том числе
составных, с воспроизведением условий
сопряжения и жесткости; малые
величины прилагаемых к модели
нагрузок; простота выполнения моделей
и внесения изменений в них для
сопоставления вариантов конструкций;
несущественное различие
коэффициентов Пуассона материала модели (0,37)
и натуры (0,28); возможность
определения на одной модели напряжений и
перемещений от нескольких видов
нагрузок; отсутствие в модели
технологических отступлений, неизбежных в
крупной натурной конструкции, и
возможность рассмотрения их влияния,
а также действия отдельных видов
нагрузок, что обычно неосуществимо при
исследовании на работающей
конструкции. Возможно также
определение нагрузки при потере устойчивости
(при упругих деформациях), форм и
частот собственных колебаний конг
струкций. Основной недостаток
моделей из полимерного материала по
сравнению с металлическими —
трудности моделирования неупругих
деформаций и температурных напряжений.
Применение этого метода
целесообразно в случае сложных деталей и
конструкций при известных силовых
нагрузках или их распределении и
упругих деформациях, когда
численный метод расчета с использованием
ЭВМ по тем или иным причинам
не применим или требует проверки.
Возникает большое число задач,
решаемых этим методом и связанных
с проектированием новых конструкций
и разработкой, методов расчета.
Метод имеет применение в
промышленности и с его использованием решены
задачи проектирования и оценки
прочности конструкций гидротурбин,
паровых и газовых турбин, атомного
энергетического оборудования,
металлургического оборудования,
судовых конструкций [14, 15].

20
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ
Определение температурных
напряжений. Основным экспериментальным
методом определения температурных
напряжений является тензометрия (и
термометрия) натурных конструкций
в условиях их эксплуатации или их
металлических моделей, на которых
моделируются процессы нагрева,
стационарного состояния и
расхолаживания; создаваемые при работе
исследуемой конструкции. Возникающие
деформации могут быть выше предела
упругости и. проводиться повторно.
Металлическая модель может < быть
выполнена в соответствии с натурной
конструкцией из материалов с
различными температурными
коэффициентами линейного расширения.
Если в тензометрируемой детали и
конструкции не возникает
пластических деформаций, то при измерении
температурных напряжений и
обработке этих данных можно
использовать имеющиеся соотношения теории
упругости между напряжениями,
деформациями и температурами. При
этом следует учитывать следующие
общие положения: 1) при линейном
распределении температуры
(равномерном параллельном тепловом
потоке) А/ = ах-\- by + сг (или при / =
= ахуг, где х7 у, z — координаты
точек детали) температурные
напряжения в детали из однородного материала
при отсутствии внешних связей не
возникают; 2) при стационарном двух-
размерном тепловом потоке без
источников теплоты или без теплоотдачи
в детали температурные напряжения
в ней возникают только при наличии
внешних связей независимо от
градиентов температуры; 3) наибольшие
температурные напряжения от
изменения температуры At в объемном
элементе при упругих деформациях не
превосходят о = EaAt/(l — a\i).
Общее выражение для температурных
напряжений при нестационарном
состоянии и упругих деформациях
конструкции из однородного материала
может быть записано так:
где At — изменение температуры
среды, окружающей конструкцию; Сф —
коэффициент, зависящий от
конструкции, ее размеров и формы; а —
коэффициент, учитывающий влияние
параметров окружающего материала #
зависящий от типа напряженно^
состояния; Е и (J, — модуль продольной
упругости и коэффициент Пуассона
материала конструкции; С* « 1 -I-
коэффициент, зависящий от
закономерности изменения температуры
окружающей среды в предшествующий
рассматриваемому ближайший период
времени, от коэффициента
теплопередачи и теплопроводности, размеров и
формы конструкции и At; а —
темпер атурный коэффициент линейного
расширения материала.
Коэффициент концентрации
температурных напряжений (ККТН)
выражается как отношение наибольшего
температурного напряжения к
номинальному о~ном = aEAt или как
отношение температурного напряжения
в зоне, где определен коэффициент
концентрации, к напряжению на
контуре детали вне этой зоны. В
большинстве случаев ККТН в деталях и
конструкциях ниже, чем коэффициент
концентрации от силовых
нагрузок.
Термоупругие напряжения при
проектировании конструкций и известном
температурном поле определяют на
механических моделях из
полимерного материала созданием в модели
температурного поля, подобного
заданному, или механическим
моделированием температурных напряжений.
Первый из указанных методов
вследствие трудности его реализации для
объемных напряженных состояний
применяли в редких случаях: на моделях
коробчатых конструкций и на
моделях из оптически нечувствительного
материала с оптически
чувствительными вклейками; второй метод
получил более широкое практическое
применение [8, 12].
Механическое моделирование
термоупругих напряжений выполняется
различными способами, в которых
действие температурного поля
воспроизводится приложением механических
нагрузок, создающих в модели или
ее частях соответствующие
деформации или усилия. Для объемных задач
основными являются два метода: мет

Исследование напряженно-деформированных состояний конструкций 21
тод «замораживания» «сврбодных»
температурных деформаций в элементах
модели с последующим
«размораживанием» модели, склеенной из этих
элементов, и метод дополняющих
деформаций, требующий также
«замораживания» элементов, их склейку и
«размораживание» модели [18]. В первом
из них, соответствующем методу
деформаций, элементы, на которые
разбивают модель, представляют как
жестко закрепленные дополнительно
наложенными связями по поверхностям
стыков элементов с заданной в них
температурой, что выполняют на
элементах модели приложением силовых
нагрузок и «замораживанием».
«Размораживание» модели, склеенной из
таких элементов, соответствует снятикх
наложенных внутренних связей;
склеенная модель после «размораживания»
будет содержать деформации,
соответствующие искомым температурным
напряжениям. В методе дополняющих
деформаций, соответствующем методу
сил, модель рассматривается с
устраненными «лишними» связями как
статически определимая система.
Приложением к элементам такой системы
силовых нагрузок создаются и
«замораживаются» деформации. Эти
деформации дают взаимные перемещения по
граням стыков, пропорциональные
перемещениям, получаемым в системе
при действии заданного температурного
поля. Модель из таких элементов
склеивают и «размораживают». Оба
метода тождественны и различаются по
способу определения деформаций в
элементах модели.
Более широкому использованию
механического моделирования
температурных напряжений препятствовало
представление, что модель в общем
случае должна составляться из
элементов с изменяемым объемом. При
несжимаемых в нагретом состоянии
при «замораживании» материалах это
выполнить невозможно. Поэтому этот
метод применялся для случаев, когда
температурная деформация в каком-
либо направлении не вызывает
напряжений или они малы. Это позволило
определять температурные
напряжения в объемных деталях при
одномерном температурном поле и в частных
случаях двухмерного поля. Метод
механического моделирования
температурных напряжений с применением
«замораживания» и «размораживания»
был применен при исследовании
термоупругих напряжений в плоских
деталях, конструкциях, оболочках,
соединениях [8, 12, 18].
При дальнейшем развитии метода
доказано, что метод механического
моделирования термоупругих
напряжений с применением
«замораживания» и «размораживания» не имеет
в общем случае формы упругой детали
и температурного поля
принципиальных ограничений, • связанных с
несжимаемостью материала модели при
«замораживании» ее элементов [3].
Механическое моделирование
температурных напряжений на
«замораживаемых» моделях выполняют, если
численный метод расчета с
использованием ЭВМ не может быть применен,
а также для проверки получаемых по
расчету результатов.
Определение коэффициентов
интенсивности напряжений (КИН). Эта
задача решается с помощью полей
деформаций и напряжений и их
развития в зоне трещины. В расчетах на
прочность по методам механики
хрупкого разрушения КИН определяют на
фронте трещин с учетом возникающих
напряжений, которые сопоставляют
с критическими коэффициентами
интенсивности напряжений (ККИН).
Определение КИН в рамках линейной
теории упругости расчетным путем
с использованием ЭВМ проведено для
значительного числа статических
плоских и некоторых случаев
пространственных, а также динамических
задач. В связи с трудностями
математического определения КИН в сложных
случаях применяют
экспериментальные методы. Более просто результаты
получают моделированием. Поляр и-
зационно-оптический метод позволяет
исследовать на упругих моделях
задачи линейной механики и разрушения
в статической и динамической
постановке. При этом решают практические
задачи определения КИН для плоских
и пространственных зон с трещинами
сложной формы, а также с учетом
остаточных и температурных напряжений
[6, 11, 12].

22 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ
ВЫБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
состояния В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ЗАДАЧИ
Условия, определяющие выбор
метода. Выбор метода зависит от задачи
и условий исследования и включает
в себя анализ задачи, разработку
намечаемого исследования и выбор метода
и средств измерений. Для решения
этих вопросов необходима исходная
информация о поставленной задаче,
содержащая цель исследования и
сведения об особенностях задачи и
условиях ее решения. Изучаются все
имеющиеся данные, включая ранее
проведенные и, при необходимости,
дополнительные расчеты, выполненные
методами строительной механики и
численными методами теории упругости
и пластичности. На основании
анализа задачи и разработки
исследования составляется техническое задание
на намечаемое исследование.
Механические величины,
определяемые путем измерения деформаций,
методы и условия их измерений
приведены в табл. 4.
Изучение деформаций, напряжений
и перемещений, вызванных
деформацией, может быть осуществлено одним
из следующих путей: измерения на
натурной конструкции в условиях
ее работы; измерения на физической
модели; расчет на математической
модели (аналитический или численный).
Основной задачей натурной
тензометрии является определение нагружен-
ности конструкции и контроль ее
состояния при эксплуатации. В
математической и физической моделях
выполняют идеализацию геометрии
конструкции, условий нагружения и
физического поведения материала.
Экспериментальное исследование
натурной конструкции в условиях ее работы
является единственным средством
определения значений деформаций и
напряжений, наиболее близких к
действительным. Приближение к натурной
конструкции может быть получено
в физической модели: точное
повторение геометрии, тот же материал,
возможно проведение тех же физических
процессов, что и в натуре. При
решении сложных задач на натурных
конструкциях или моделях наиболее
правильные результаты получаются
при сочетании в одном исследовании
экспериментальных методов и
численных расчетов.
Основные варианты использования
различных экспериментальных
методов определения деформаций,
напряжений и перемещений приведены
в табл. 5. Измерением деформаций от
нагрузок кроме напряжений могут
быть определены и другие параметры:
концентрация напряжений,
остаточные напряжения, перемещения и
жесткость деталей и узлов, усилия в
сечениях, действующие нагрузки,
вибрации, механические характеристики
материалов. Определение деформаций
путем тензометрии в заранее
известных точках при статических и
динамических нагрузках является наиболее
часто встречающимся случаем
исследования, в том числе в конструкциях,
работающих в экстремальных
условиях. В простейших случаях — при
действии статической нагрузки,
измерениях в малом числе точек и
отсутствии необходимости дистанционной
регистрации деформаций во времени —
применяют более простые типы
тензометров.
Для измерений на натурных
конструкциях и их металлических
моделях применяют тензометры, хрупкие
тензочувствительные покрытия и
оптически чувствительные покрытия.
Металлические модели позволяют
воспроизводить силовые нагрузки,
тепловые режимы и проверять
конструкцию сборочных соединений,
выполненных из различных материалов.
Характеристики тензометрической
аппаратуры выбирают в зависимости от
условий задачи (вида напряженного
состояния, температуры, среды,
ожидаемых диапазонов и частот изменения
деформаций, длительности измерений
и др.). Измерение деформаций на
деталях и узлах работающей машины
проводится одновременно с
регистрацией других параметров. При
большом числе точек измерения
применяют автоматизированную
электрическую тензоаппаратуру в комплекте
с ЭВМ (см. гл. 3—5). При определении

Выбор экспериментального метода определения состояния 23
4. Величины, определяемые измерением деформаций
Определяемые величины
Методы и условия измерений
Деформации, напряжения и
перемещения в деталях машин и
конструкциях
Измерения на моделях. Тензометрия и
применение тензочувствительцых покрытий и
индикаторов перемещений на натурных
конструкциях. В условиях лабораторных,
стендовых и эксплуатационных испытаний
Концентрация и распределение
напряжений; выбор
оптимальной формы детали и
конструкции по условиям прочности
Модели поляризационно-оптического метода.
Тензометрия и тензочувствительные
покрытия на моделях и натурных деталях и
конструкциях
Остаточные зональные
напряжения (технологические,
сборочные)
Тензометрия и измерение перемещений с
разрезкой детали. Рентгеновский и
ультразвуковой метод без разрезки детали.
Моделирование. В условиях лабораторных и
стендовых испытаний
Жесткость деталей и узлов
машин, оценка состояния
конструкции после сборки
Тензометрия и измерение перемещений на
моделях в лабораторных условиях и на
натурных конструкциях при стендовых и
эксплуатационных испытаниях. При
статической и динамической нагрузке
Силы (нагрузки, усилия),
напряжения, перемещения в
деталях машин и конструкциях
в зависимости от
эксплуатационных режимов работы
машины
Тензометрия, регистрация сил, давлений,
вибраций и перемещений преимущественно
электрическими методами. При испытаниях
в условиях эксплуатации машин и с
применением физического моделирования
Характеристики прочности
материалов, узлов машин и
конструкций при различных
условиях их работы; изучение
механики деформирования и
разрушения
Тензометрия, методы измерения полей
деформаций и измерение перемещений при
различных условиях испытаний (по скорости
деформирования, температуре, длительности,
повтор ности нагружения и др.)
перемещений используют приборы для
измерении в отдельных точках
(индикаторы статических перемещений,
тензометр ические преобразователи
перемещений, виброизмерительную
аппаратуру). Для бесконтактных
измерений в одной точке или полей
перемещений применяют голографическую
интерферометрию и метод полос муара.
Путем измерения деформаций в
исследуемой детали тензор езисторами
можно определить жесткость детали
и перемещения ее точек, если известна
зависимость между искомыми
перемещениями и деформациями в точках
измерений.
При рассмотрении задачи
распределения деформаций и напряжений при
известной нагрузке оценивается
вопрос о возможности ее решения расчет-

24 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ '
5. Основные варианты использования экспериментальных методов
и средств определения деформаций, напряжений и перемещений
Метод измерений
Хрупкие тензо-
чувствительные
покрытия
Оптически
чувствительные
покрытия
Делительные
сетки
Муаровые полосы
Голографическая
интерферометрия
Поляризационно-
оптический метод
(просвечиваемые
модели)
Вид
деформаций

Статические и
динамические,
упругие и

пластические

Статические,
пластические

Статические и
динамические,
упругие и

пластические

Статические и
динамические,
главным
образом
упругие
Места
измерений

Поверхности
деталей
и узлов
Доступные
для
наблюдения зоны

поверхности деталей
и узлов
Зоны
пластических
деформаций
и трещин
Открытые
зоны
пластических
деформаций
Открытые

поверхности деталей
и узлов

Поверхности и
внутри объема
Снятие

показаний


станционное,
при
нагрузке
или
после ее
снятия

Дистанционное


станционное

Дистанционное


станционное и

дистанционное
Основное
использование метода
Определение общего
распределения
напряжений по поверхности
и значений
напряжений в нагруженных
зонах
Определение
напряжений в отдельных
зонах поверхности
Определение больших
деформаций в зонах
разрушения
Исследование
механики деформирования
деталей до разрушения
Определение полей
перемещений в
пространстве
Изучение объемных
напряженных
состояний, концентрации
напряжений и выбор
оптимальной формы
деталей

Выбор экспериментального метода определения состояния
25
Продолжение табл. 5
Метод намерений
Механические и
опти ко-меха ни че-
ские тензометры
Съемные
тензометры
Электрические
тензометры (с тен-
зорезисторами)
г
Рентгеновская
тензометрия
Ультразвуковой
метод
Вид
деформаций

Статические,
упругие и
пластические

Статические и
динамические,
упругие и

пластические
Главным
образом

статические,
упругие
Места
измерений
Отдельные
точки
Снятие

показаний
Неди-
станци-
онное

Дистанционное


станционное

Дистанционное
Основное
использование метода
Определение
механических характеристик
материалов, отдельные
измерения
Наблюдение за
состоянием конструкции при
эксплуатации
Многоточечные
автоматизированные
измерения; измерения на
натурном объекте при
стендовых и
эксплуатационных
испытаниях
Определение
остаточных напряжений без
разрушения
Определение
начальных напряжений без
разрушения; неразру-
шающий контроль
изделий
ным путем без экспериментальных
исследований. Применение современных
численных методов расчета,
использующих ЭВМ, показывает, что этими
методами решают статические и
динамические задачи: плоские, осесим-
метричные, пластин и оболочек,
контактные, распределения волн
деформаций, задачи с учетом свойств
материала, зависящих от времени, и др.
Решение задач распределения
напряжений в общем случае деталей
объемной формы расчетным путем
практически затруднено и обычно
проводится экспериментальными методами.
Экспериментальные методы
исследования, используемые при
усовершенствовании конструкций и их
оптимизации по условиям прочности, а также
при разработке методов их расчета,
приведены в табл. 6.
Типовые задачи
напряженно-деформированных состояний, решаемые
экспериментально. Разнообразие условий,
которые могут быть при
экспериментальном решении задач определения
деформаций, напряжений и
перемещений, не позволяет однозначно
указать методы их решения. Поэтому
приводимые далее для различных
задач сведения являются примерами
выбора метода.
Плоская упругая задача. В этой
классической задаче находят
распределение и значения деформаций и
напряжений для детали, имеющей' сложную

26 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ''
6. Применение экспериментальных методов определения
деформаций и напряжений
Задача
Определяемая
величина
Применяемый
экспериментальный метод
Выбор при
проектировании по условиям
прочности и
жесткости рациональных
конструкций и
необходимых размеров
сечений
Поле деформаций и
напряжений;
наибольшие деформации,
напряжения и
перемещения при
расчетных нагрузках
Тензометрические модели из
материала с низким модулем
упругости; поляризационно
оптический метод. Тензометрия
металлических моделей и натурных
узлов при их стендовых
испытаниях
Оценка
технологических режимов
(термообработка, сварка)
и способов сборки по
возникающим
напряжениям, усилиям, и
перемещениям
Остаточные
напряжения и деформации;
усилия и
перемещения при сборке
конструкций
Тензометрия и измерение
перемещений при разрезке деталей,
Рентгенотензометрия без
разрезки деталей (и другие методы
неразрушающего контроля).
Тензометрия и измерение
усилий и перемещений в процессе
сборки
Проверка несущей
способности деталей
и конструкций;
разработка мероприятий
для устранения
причин образования
трещин и поломок
Деформации,
напряжения и несущая
способность деталей
и узлов в. условиях
работы машины
Исследования деформаций и
напряжений на моделях.
Тензометрия натурных узлов и
конструкций при стендовых и
эксплуатационных испытаниях.
Исследование механики
деформирования и разрушения на
моделях и натурных деталях
Проверка и выбор
допускаемых при
эксплуатации . режимов;
определение нагрузок
в зависимости от
режима; доводка и
испытания машин
Нагрузки, усилия,
перемещения и
наибольшие напряжения
в зависимости от
эксплуатационных
режимов и изменений,
вносимых в
конструкцию
Тензометрия и регистрация
давлений, усилий, перемещений,
вибраций и температур
преимущественно электрическими
методами при стендовых испытаниях
и в условиях эксплуатации
Проверка и выбор
схем расчета
деформаций, напряжений
и перемещений
Усилия, напряжения
и перемещения в
основных точках и
сечениях при
расчетных нагрузках
Тензометр ические модели из
материала с низким модулем
упругости; тензочувствительные
покрытия, поляризационно-опти-
ческий метод. Тензометрия
натурных конструкций в условиях
их работы
форму контура, но которую можно
рассматривать как плоскую и
нагруженную в ее плоскости. Эта задача
часто ставится для отыскания
оптимальной формы контура, при которой
напряжения в детали имеют
допустимый минимум. Наглядно и наиболее
просто и точно она решается поляри-
зационно-оптическим методом на
просвечиваемой модели, которая может
быть постоянной или переменной
толщины. Эта задача решается также
численным методом.
Конструкции в форме пластин и
оболочек. Измерения деформаций и
перемещений проводят на натурных дета-

Выбор экспериментального метода определения состояния
27
лях и конструкциях. Основные
средства измерении: тензорезисторы,
хрупкие и оптически чувствительные
покрытия, поляр изационно-оптический
метод. Для измерения перемещений и
кривизны поверхности применяют
индикаторы перемещений, съемные кри-
визномеры, методы когерентной
оптики. По измеренным перемещениям
или кривизне поверхности тонких плит
и оболочек могут быть подсчитаны
изгибающие моменты и поперечные
силы.
Концентрация деформаций и
напряжений создается в местах нарушений
непрерывности в конструкции
(геометрических, в материале, в
распределении нагрузки) и возможного
образования трещины и последующего
разрушения детали или конструкции
при переменной нагрузке. При
деформациях в пределах упругости
значения коэффициентов концентрации
деформаций и напряжений совпадают.
В этом случае измерения можно
проводить на упругих моделях из
материала, отличного от материала
натурной детали, поляр изационно-оп-
тическим методом на плоских или
объемных моделях. При деформации
детали выше предела упругости
определяющее значение имеет
коэффициент концентрации деформаций,
возрастающий с увеличением нагрузки.
Его определяют на натурной детали
или модели из того же материала.
При этом с воспроизведением циклов
нагрузок и других условий работы
деталей изучают изменения свойств
материалов, протекание процесса
деформирования и развитие полей
повреждений. Решаемые задачи: замена резкой
концентрации умеренной с
применением плавных переходов в изменении
формы и переноса концентраторов
в зоны пониженных напряжений;
введение разгружающих элементов формы
и дополнительных концентраторов,
спрямляющих силовой поток;
снижение напряжений в местах внутренних
дефектов, создающих концентрацию
напряжений; снижение
конструктивными мероприятиями концентрации
напряжений в зонах передачи
контактных давлений; снижение
металлоемкости и достижение требуемой
прочности.
Величина и распределение
контактных давлений. Для приближенной их
оценки в качестве чувствительных
элементов на поверхности деталей узла
натурной конструкции применяют
тонкие пленочные материалы, а также
проводят голографические измерения
изменений состояния контактной
поверхности в результате работы узла
под нагрузкой. Распределение
контактных давлений исследуется также
на моделях методом рассеянного
света [7].
Импульсные нагрузки и соударения
деталей. Деформации и усилия в
значительной мере зависят от ряда
условий, поэтому их определяют на
натурных конструкциях в
эксплуатационных условиях. Тензорезисторы,
приклеиваемые к поверхности детали,
с катодно-осциллографирующей
аппаратурой, имеющей электрическую и
механическую развертку, позволяют
регистрировать динамические
деформации частотой 100 кГц и выше и
обеспечивают запись деформации с
необходимой длительностью и точностью
[13]. При меньших частотах
применяют магнитоэлектрические
осциллографы или магнитную запись. Для
исследования полей деформаций,
получаемых при соударении деталей и
импульсных нагрузках, применяют
плоские и объемные модели из
прозрачных материалов, просвечиваемых
поляризованным светом (метод
динамической фотоупругости). С помощью
оптически чувствительных наклеек
находят поля динамических деформаций
на поверхности натурной детали
любой формы и ее модели из того же
материала [18].
Разработка предложений по
обеспечению прочности несущих конструкций
выполняется по результатам ряда
исследований, проводимых с
применением экспериментальных методов
определения деформаций и напряжений.
К ним относятся: оценка по
напряжениям конструктивной формы деталей
и узлов на плоских и объемных
моделях поляризационно-оптического
метода и разработка предложений по их
улучшению; определение деформаций,
напряжении и перемещений на
тензометр ических моделях из материала
с низким модулем упругости, позво-

28 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ
ляющих воспроизвести сложную
конструкцию, улучшение на основании
этих исследований конструкции по
условиям прочности и жесткости;
стендовые и эксплуатационные испытания
опытных образцов конструкции с
проведением измерений деформаций и
перемещений хрупкими и оптически
чувствительными покрытиями и с
применением тензометров и индикаторов
перемещений. При модельных и
стендовых испытаниях нагрузки или их
распределения считаются известными.
Эти исследования для оценки
прочности и ресурса конструкций должны
сочетаться с изучением характеристик
прочности материала и деталей в
возможных условиях их работы за весь
срок эксплуатации машины.
Оптимизация несущей конструкции
на стадии стендовых испытаний
опытного образца может содержать
следующие этапы работы: определение
с применением хрупких тензочувстви-
тельных покрытий наиболее и мало-
нагруженных зон и значений
наибольших деформаций и напряжений в
нагруженных зонах; разработку
расчетной схемы (численным методом с
использованием ЭВМ) несущей
конструкции с учетом результатов,
полученных с применением хрупких
покрытий; расчет деформаций,
напряжений и перемещений с применением
разработанной схемы с намеченными
улучшениями несущей конструкции;
выбор оптимального варианта
конструкции по условиям прочности и
металлоемкости; внесение изменений
в существующий опытный образец
по варианту, выбранному на основании
проведенных численных расчетов;
проверку деформаций и напряжений с
применением хрупких покрытий в
улучшенном опытном образце путем его
стендовых испытаний; принятие
решения по результатам выполненных
исследований, доработку конструкции
по параметрам вибраций, проведение
эксплуатационных испытании, оценку
ресурса конструкции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абен X. К. Интегральная
фотоупругость. Таллин: Валгус, 1975. 218 с.
2. Александров А. Я., Ахметзя-
нов М. X. Поляризационно-оптические
методы механики деформируемого тела.
М.: Наука, 1973. 576 с.
3. Бугаенко С. Е. Моделирование
напряжений от заданных несовместных
деформаций поляризационно-оптическим
методом//Механика твердого тела. 1980.
№ 4. С. 100—102.
4. Голографические неразрушающие
исследования: Пер. с англ. /Под ред.
Р. Эрф. М.: Машиностроение, 1979. 376 с.
5. Гусенков А. П. Прочность при
изотермическом и неизотермическом
малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1979.
295 с.
6. Злочевский А. Б.
Экспериментальные методы в строительной механике.
М.: Стройиздат, 1983. 192 с. -
7. Исследование напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1980. 119 с.
8. Исследование температурных
напряжений/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1972. 228 с.
9. Касаткин Б. С. Лобанов А. М.
Экспериментальные 'методы исследования
деформаций и напряжений: Справочное
•пособие. Киев: Наукова думка, 1981.
584 с.
10. Левин О. А. Соколов Б. Б.
Анализ особенностей автоматизации процесса
обработки картин муаровых полос//За-
водская лаборатория. 1977. № 12.
С. 1504 — 1510.
11. Махутов Н. А.. Деформационные
критерии разрушения и расчет элементов
конструкций на прочность. М.:
Машиностроение, 1981. 272 с.
12. Методы исследования напряжения
в конструкциях энергетического
оборудования/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1983. 181 с.
13. Напряжения и деформации в
деталях и узлах машин/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Машгиз, 1961. 564 с.
14. Пригоровский Н. И. Методы и
средства определения полей деформаций
и напряжений: Справочник. М.:
Машиностроение, 1983. 248 с.
15. Сухарев И. П. Экспериментальные
методы исследования деформаций и
прочности. М:: Машиностроение, 1987. 213 с.
16. Тензометрия в машиностроении:
Справочное пособие/Под ред. Р. А.
Макарова. М.: Машиностроение, 1975. 287 с.
17. Ушаков Б. Н., Фролов И. П.
Напряжения в композитных
конструкциях. М.: Машиностроение, 1979. 133 с.
18. Хесин Г. Л., Варданян Г. С. Метод
фотоупругости. Т. 1. 2, 3. М.:
Стройиздат, 1975.
19. Экспериментальные методы
исследования деформаций и напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Наука, 1977. 150 с.

Глава
КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫЕ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ
/Для измерения деформаций в
деталях машин и конструкций в широком
диапазоне.температур применяют тен-
зорезисторы с чувствительным
элементом из металлической фольги
(фольговые) иди_ из микропровода
(проволочные)./Одной из основных х ар акте- /
ристик тензорезистора является его -L
база, определяемая как длина
активной части чувствительного элемента
между внутренними краями
поперечных участков в направлении главной
оси (см. рис. 1, o)J Главная ось
тензорезистора совпадает с направлением
его максимальной чувствительности.
Размер базы тензорезистора
определяет возможность его применения при
больших градиентах деформации. По
-способу закрепления на исследуемой
детали различают два типа тензорези-
сторов: приклеиваемые и приваривав-
мые. Наибольшее применение
получили фольговые тензорезисторы,
чувствительный элемент которых
изготовляется методом фотолитографии,
наиболее технологичным при
массовом производстве (рис, 1, а). В таких
тензорезисторах чувствительный
элемент закрепляют на полимерной пленке
или другой подложке, которая может
быть приклеена к исследуемой
детали [2, 10].
Привариваемые тензорезисторы
выпускают смонтированными на
подложке из металлической фольги,
которую приваривают контактной
сваркой к исследуемой детали (рис. 1,6).
На металлической подложке могут
быть установлены или обычные
приклеиваемые тензорезисторы (для
удобства монтажа), или решетки
чувствительных элементов могут
формироваться в процессе изготовления тензо-
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
резисторов. Второй вариант применяют
при изготовлении термостойких тензо-
резисторов с проволочным
чувствительным элементом и ор га носил икатным
или иным связующим [1, 17, с. 4; 5].fl
Для исследования плоского
напряженно-деформированного состояния
обычно используют розетки тензорези-
сторов, которые представляют собой
измерительный преобразователь,
имеющий на общей подложке несколько
тензочувствительных элементов,
главные оси которых ориентированы под
определенными углами друг к другу.
Примеры таких розеток,
выпускаемых отечественной промышленностью,
приведены на рис. 9/
По ГОСТ 21616—76 тензорезисторы
выпускают с номинальным
сопротивлением 50; 100; 200; 400 и 800 Ом.
Базу тензорезистора выбирают из ряда
0,25; 0,5; 1; 2; 3; 5; 7; 10; 15; 20; 50;
100; 200 мм. В технических условиях
на тензорезисторы установлены
жесткие допуски на сопротивления тензо-
резисторов, так как в ряде случаев
применяют пары тензорезисторов
(рабочий и компенсационный),
незначительно различающиеся по фактическим
значениям сопротивлений. Поэтому
ГОСТ допускает существенные
отклонения от номинальной базы для
возможности соблюдения допусков на
номинальные сопротивления: для тензо-
резисторов с базой до 5 мм допускается
отклонение базы на ±20 %, с базой
более 5 мм—на ±10%.
ГОСТ 21616—76 устанавливает ряд
метрологических характеристик тензо-
резисторов и формы их представления
или обозначения. Для конкретных
типов тензор езисторов комплекс
нормируемых характеристик должен
составляться из этого ряда в
зависимости от назначения тензор езисторов,
которые следует определять в
соответствии с ГОСТ 21615—76.

30
ТЕНЗОРЁЗИСТОРЫ
5a;ui
Рис. 1. Разновидности тензорезисторов:
а __ приклеиваемый фольговый тензорезистор: / — чувствительный элемент; 2 —
подложка; 3'— связующее; 4 — испытуемый объект; б — привариваемый проволочный
тензорезистор: /—9 — порядок приварки тензорезистора к детали
Важнейшие характеристики из этого
ряда следующие.
1. Функция преобразования
устанавливает зависимость информативной
составляющей выходного сигнала
тензорезистора от информативной
составляющей входного сигнала
(деформации). Выходной сигнал тензорезистора
представляет собой отношение
приращения сопротивления тензорезистора
к его начальному значению:
I = AR/RH.
Как относительная величина,
выходной сигнал является безразмерным.
Для единообразия в документации его
следует выражать в миллионных долях
(млн"1).
Функция преобразования
выражена полиномом
Ш = Агг + А2г2 + . • • + Arsr,
где Аг ... Аг — коэффициенты
полинома; е — деформация (млн-1). J
Для функции преобразования^гвсех
других характеристик, которые
представляют собой аналитические
зависимости, получаемые путем
аппроксимации экспериментальных данных,
предусматривается оценка средней
квадрэтической погрешности
аппроксимации [13]:
*b<2Z
У 11
(X,)-Z(X,)Y
т — /
где т — число ступеней деформации
или температуры; / — число
коэффициентов полинома; Z (Xj) —
расчетные значения „аппроксимирующей
функции; ~Z(Xj) — среднее
выборочное значение выходного сигнала; / —
номер ступени, / = 1, 2, ..., т\ Xj —
значения деформации, температуры,
задаваемые при градуировке.
2. В диапазоне упругих деформаций
функция преобразования для всех
типов тензорезисторов практически
линейна. Поэтому она может быть
заменена одним числом —
чувствительностью К, которая определяется при
нормальной температуре и
деформации е = /1000 млн-1.
Чувствительность, как и ряд других
характеристик, может быть
определена только по выборке
тензорезисторов, установленных на градуиро-
вочном приспособлении, поэтому
испытанные тензор езисторы не могут
быть использованы вторично.
Чувствительность нормируется средним
значением для партии К и допустимым
значением среднего квадратического
отклонения (СКО)
чувствительности 5К.

Конструкции и основные метрологические характеристики
31
3. В рабочем диапазоне температур
чувствительность тензорезисторов
может изменяться. Это изменение
характеризуется функцией влияния
температуры на чувствительность
ф (0 = к № (<»),
где К (0 — чувствительность при
температуре t\ К (t0) — чувствительность
при нормальной температуре; Ф (f) —
функция влияния температуры на
чувствительность. Для известных типов
тензорезисторов — это монотонная
функция температуры
Ф (0 = В0 + Bxt + B2t2 Н + Brtr,
где В0 ... Вг — коэффициенты.
Функция влияния температуры на
чувствительность может также
нормироваться значением Ф при
максимальной (минимальной) температуре
и ее средней квадратической
погрешностью 5ф.
4. Несовершенство связующего
приводит к изменению во времени
деформации, передаваемой от детали к
чувствительному элементу, и
соответствующему изменению выходного
сигнала тензорезистора [17; 18, с. 16—
17; 10]. Это явление, именуемое
ползучестью тензорезистора, может
характеризоваться часовой ползучестью,
численно определяющейся как
уменьшение выходного сигнала тензорези-
стора при фиксированной измеряемой
деформации. Ползучесть принято
определять при деформации е =
= 1000 млн-1. Различают ползучесть
при нормальной П и максимальной П*
температурах. Ползучесть нормируется
средними значениями П и П*, а также
соответствующими средними квадра-
тическими отклонениями (СКО) — 5п
и Snt-
Процесс ползучести может
протекать с различной скоростью и
стремиться к различным пределам. Одно
и то же значение часовой ползучести
может реализоваться при процессах
ползучести, протекающих с разными
скоростями (рис. 2). Поэтому для
сопоставления качества тензорезисторов
принято приближенное описание
ползучести экспоненциальной функцией
П(т) = ЛпО-е-т/°Ч
П(г><
П2(т) г
Рис. 2. График ползучести
тензорезисторов / и 2: ЛП1 < АП2; аП1 < аП2;
Пх = П2
где An — условное предельное
значение ползучести, %; т — время; ап —
постоянная времени ползучести.
5. Температурная характеристика
сопротивления тензор езистор а —
зависимость выходного сигнала тензо-
резистора, установленного на
свободно расширяющуюся деталь, от
температуры:
6 (0 = Со + cxt + c2t2 + •. • + crtry
где С0 ... Сг — коэффициенты.
Для приклеиваемых тензорезисторов
коэффициенты С0 ... Сг определяют по
результатам испытания выборки. В
некоторых случаях бывает достаточным
нормировать максимальное значение
температурной характеристики
сопротивления в рабочем диапазоне
температур Itw Одновременно с
нормированием значения |/м должно
нормироваться допустимое значение
СКО St. Возможно и нормирование не
среднего значения ^м, а его
максимального значения. Например, для
самотермокомпенсированных
тензорезисторов по ГОСТ 21616—76
6fM = 100*.
где К — чувствительность.
Например, для константановых
самотермокомпенсированных
тензорезисторов в зависимости от
чувствительности партии значение £*м не должно
превышать 200—220 млн"1.
Индивидуальные температурные
характеристики привариваемых
тензорезисторов, выполненных на
подложке из металлической фольги,
определяют при выпуске тензорезисторов
или при входном контроле. Как
показано в работе [3], индивидуальные
температурные характеристики сопро-

32
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
* I L- 1 L 1
200 Ш 600 800f.ru,
Рис. 3. Зависимость сопротивления
изоляции тензорезистора от частоты
напряжения питания и температуры
тивления тензор езисторов могут
быть удовлетворительно
аппроксимированы полиномом средней
характеристики с индивидуальной поправкой
только для коэффициента полинома
при температуре в первой степени:
t(t)i = C0 + (C1 + bi)t +
+ A'2+---+<Vr, (1)
где 5 (Of — индивидуальная
температурная характеристика сопротивления
1-го тензорезистора; С0 ... Сг—
коэффициенты полинома для партии; Ь% —
индивидуальная поправка /-го
тензорезистора.
Такое преобразование возможно для
тензорезисторов с небольшим
разбросом температурных характеристик. Оно
имеет существенное преимущество,
заключающееся в том, что при обработке
результатов тензометрирования в
память ЭВМ необходимо ввести только
коэффициенты полинома средней
температурной характеристики и только
по одной поправке Ь( для каждого
тензорезистора.
В выражении (1) при рассмотрении
характеристик партии
тензорезисторов случайной величиной является
поправка V В этом случае для
рассеяния может быть определена
зависимость СКО температурных
характеристик сопротивления от температуры:
St = Sbt,
где Sb — СКО индивидуальных
поправок Ь(. Эта зависимость имеет
подтверждение во многих
экспериментальных работах, например [1; 18, с. 4—5].
6. Длительное воздействие
температуры приводит к дрейфу выходного
сигнала, т. е. изменению его во
времени. Получение значения дрейфа как
характеристики тензорезистора должно
осуществляться при фиксированном
значении других влияющих величин
и отсутствии деформации.
Аналогично другой временной
характеристике — ползучести — в
паспортных данных на тензорезисторы
обычно приводится среднее значение
часового дрейфа при максимальной
температуре Д* и его среднее квадра-
тическое отклонение 5д$.
Ориентировочное представление дрейфа как
функции возможно с помощью
экспоненциальной зависимости
Д(т) = Лд(1-е ад], (2)
где Лд — условное предельное
значение дрейфа; т — время; ад —
постоянная времени дрейфа.
Следует иметь в виду, что
соотношение (2) справедливо только при
постоянной температуре и не может быть
в таком виде применено при рценке
дрейфа в натурном эксперименте при
изменяющейся во времени
температуре. Длительное воздействие
температуры приводит не только к
изменению удельного сопротивления
материала чувствительного элемента
(основная составляющая дрейфа), но и
вызывает изменение температурной
характеристики сопротивления.
Качество тензорезисторов оценивают по
величине V|/ — средней разности
значений температурной характеристики
при максимальной температуре до и
после изотермической выдержки в
течение часа и СКО этой разности S
Однако на практике измерения могут
проводиться весьма длительное время
при изменяющихся температурах,
вызывающих значительный дрейф. В этом
случае необходим контрольный
эксперимент в лабораторных условиях.
Должен быть воспроизведен весь
температурный режим натурных
испытаний и получены оценки фактических
изменений температурных
характеристик Ai%t (т) и Д (т), а также
соответствующие СКО [14, с. 31—35].
7. В некоторых случаях
используют еще одну характеристику
тензорезисторов, которую в большинстве
случаев не учитывают при оценке
погрешности измерений, — поперечную

Уравнение состояния и выходной сигнал тензорезистора 33
чувствительность, т. е. способность
тензор езисторов воспринимать
деформацию, направленную
перпендикулярно к его главной оси. Значением
выходного сигнала, обусловленного
поперечной чувствительностью, в
большинстве случаев пренебрегают, так
как поперечная чувствительность
современных фольговых тензор езисторов
весьма мала.
8. Сопротивление изоляции тензоре-
зисторов в большинстве случаев должно
быть достаточно велико. Оно зависит
не только от температуры, но и от
вида напряжения питания схемы с
тензор езисторам и. На рис. 3 показана
зависимость сопротивления изоляции
для тензор езисторов с органосиликат-
ным связующим от частоты
напряжения питания и температуры
тензорезистора.
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ И
ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ
ТЕНЗОРЕЗИСТОРА
Сопротивление тензорезистора
является функцией деформации,
температуры и времени их воздействия. От
времени воздействия деформации
зависит изменение информативной
составляющей выходного сигнала в
результате ползучести тензорезистора.
Длительное воздействие высоких
температур приводит к дрейфу
сопротивления тензорезистора, который
является суммарным эффектом,
получающимся в результате изменения
удельного сопротивления сплава тензо-
чувствительного элемента и изменения
его температурной характеристики.
При включении тензорезистора в
электрическую схему его
эквивалентное сопротивление зависит
дополнительно от сопротивления изоляции.
Шунтирующее влияние сопротивления
изоляции зависит от конкретной схемы
включения тензорезистора и, в
частности, от выбранной
экспериментатором точки заземления схемы. При
измерениях принятое предельно малое
сопротивление изоляции должно быть
таким, чтобы его изменение от
бесконечности до принятого значения не
вносило погрешности, превышающей
допустимое значение этой
составляющей погрешности, рекомендуемой ме-
*'(e,Vr2
Рис. 4. Модель изменения
сопротивления тензорезистора во времени при
воздействии деформации и температуры
тодикой выполнения измерений.
Поэтому далее влиянием сопротивления
изоляции пренебрегаем.
В общем случае при воздействии на
тензорезистор деформации £ и
температуры / в некоторый момент времени т
сопротивление тензорезистора
R (е, U т) = Яо + А# (е) +
+ А/? (/) + AR (т), (3)
где R0 — начальное сопротивление
тензорезистора, т. е. сопротивление
при е = 0, t = 25 °С, т = 0; AR (е) —
приращение сопротивления,
вызванное изменением деформации от 0 до е
при температуре /ив момент времени
т = 0; AR (/) — приращение '
сопротивления, вызванное изменением
температуры от 25 °С до / при деформации е
и в момент времени тх; AR (т) —
приращение начального сопротивления
тензорезистора к моменту времени tlt
вызванное изменением его удельного
сопротивления, определенное при е =
= 0 и / = 25 °С.
В координатах е, t (рис. 4) в
некоторый момент времени тх сопротивле-
2 Дайчик М. Л. и др.

34
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
ние тензорезистора описывается
поверхностью R (е, t). Сечение этой
поверхности плоскостью,
параллельной Ry О, е, представляет собой
деформационную составляющую
приращения сопротивления, а сечение
плоскостью, параллельной Rt 0, t, —
температурную характеристику.
Через некоторое время воздействия
температуры изменятся начальное
сопротивление тензорезистора на AR0,
температурная характеристика,
деформационная составляющая в
результате ползучести, и сопротивление
тензорезистора в момент времени т2
будет описываться новой поверхностью
R' (е, t). В промежутке времени
между тх и т2 значение сопротивления
тензорезистора будет лежать в
пространстве, ограниченном
поверхностями R (е, t) и R' (е, t) [3].
Соотношение (3), которое отражает
состояние сопротивления
тензорезистора в зависимости от трех
переменных, в дальнейшем будем называть
уравнением состояния тензорезистора.
Как следует из этого уравнения,
начальное сопротивление тензорезистора
является переменной величиной,
зависящей от времени воздействия и
значения температуры:
Ян = #о + ЛЯ W =
= Ло О + Бс),
где £с = AR (%)/RQ — относительное
изменение начального сопротивления.
С учетом этого уравнение (3) может
быть преобразовано:
*<е, *,т) = Яо(1+1с)(1 + |е+10>
r«e£e= Д„(1 + |с) -Деформаци-
онная составляющая выходного
сигналу (О
л а тензорезистора; It = , ' —
ао (1 + 5с)
температурная характеристика
сопротивления тензорезистора.
Следует заметить, что и та и другая
составляющие должны быть
определены для момента времени т, что
соответствует определенному
значению |с.
Эта форма записи отражает те
необратимые изменения, которые
происходят с сопротивлением
тензорезистора при длительном воздействии
температуры. Действительно, если
после длительного воздействия
деформации и температуры охладить деталь
до нормальной температуры и снять
деформацию, то после завершения
процессов, вызванных ползучестью,
измеренное значение сопротивления
тензорезистора будет равно RH. При
последующих нагревах и
деформировании процесс изменения
сопротивления тензорезистора начнется со
значения RH.
Выходной сигнал тензорезистора
может быть определен только по
отношению к какому-либо значению
начального его сопротивления. По
отношению к RQ значение выходного сигнала
Е(в.<,г)-*<'''^-*'- -
= So + 0 + Sc)(U + b)«
« Ео + Ь + h- (4)
По отношению к текущему значению
начального сопротивления
= Б. + Б«.
ГОСТ 21616—76 не предусматривает
в числе метрологических
характеристик тензорезисторов
относительного изменения начального
сопротивления £с. В нем предусмотрено
определение дрейфа Д (т) тензорезистора,
т. е. относительного изменения его
сопротивления при некоторой
температуре t. Дрейф является бесспорно
удобной характеристикой для оценки
качества тензорезисторов и, как уже
упоминалось, имеет две
составляющие— изменение начального
сопротивления и температурной
характеристики
Д(т) = Ео + АЕ| = Бс + Б*.т-Б*.о,
где Б/, о — температурная '
характеристика при т = 0; Б*, т —
температурная характеристика в момент
времени т; A|j — изменение
температурной характеристики.
Изложенное иллюстрируется
рис. 5. При нагреве тензорезистора
от 25 °С (рис. 5, точка А) до
температуры t его выходной сигнал будет обус-

Уравнение состояния и выходной сигнал тензорезистора 35
ловлен температурной
характеристикой £f,0 (точка В).. Если затем
провести изотермическую выдержку, то
в результате дрейфа выходной сигнал
изменится. Его значение будет равно
It, о + Д (т) (точка С), Охлаждение
тензорезистора пойдет по новой
температурной характеристике (кривая
CD), значение которой £*, т. Очевидно,
что 'Ъи% + 1о = £*,о + ДМ* Отсюда
ДЮ = Бо.+ Б*.*-Е*.о. (5)
В выражение (4) можно вместо £с
подставить значение Д (т) из (5), но
это менее удобно.
В соотношении (4) метрологические
характеристики £с и \t должны быть
определены путем аттестации тензо-
резисторов применительно к условиям
измерений.
Информативная составляющая
выходного сигнала тензорезистора £е
для всех известных металлических
тензорезисторов в пределах упругости
линейно связана с измеряемой
деформацией
U=K(t)E,
где К (t) — чувствительность
тензорезистора.
Для описания зависимости
чувствительности от температуры
ГОСТ 21615—76 вводит функцию
влияния температуры на
чувствительность Ф (t). Методика определения Ф (t)
заключается в том, что на
испытательной установке с балкой постоянного
сечения при нормальной температуре
определяют относительное изменение
сопротивления тензорезистора,
вызванное деформацией е = 1000 млн"1:
, Д#*о (8)
бе, и = JT •
Затем балку с тензорезисторами
нагревают до температуры t,
фиксируют начальный отсчет, нагружают до
деформации 8 = 1000 млн"3- и
фиксируют второй отсчет. По этим отсчетам,
с учетом функции преобразования
прибора, вычисляют отношение
приращения сопротивления
тензорезистора ARt (г) к его сопротивлению
при температуре t:
Рис. 5* Изменение начального сопроти*
вления* температурной характеристики
сопротивления и Дрейф тензорезистора
После этого вычисляют
Es.t. (1+ЕО* '
Ф(0
откуда
K(f)=(l+lt)OtK.
Для удобства введем понятие —
действующее значение функции
влияния
Ft = (l + it)®u
тогда
1г = KFts. (6)
При тензометр ировании объектов
часто необходимо измерять
приращения деформации, возникающие при
изменении нагрузки и одновременном
изменении температуры. Если Ft во
всем диапазоне температур равно
единице, то из выражения (6)
ех = ф-, е2 = -^-и Де = е2 —8х =
К
= -^" (Ssa — Sei)t
As:
Ее.« = -
А/?* (е)
К (О
*н(1 + Ь) 1 + Ь
где 1 и 2 — индексы, показывающие
первое и второе состояние объекта.
Если F, Ф Fi', то
Следовательно, если действующее
значение функции влияния
температуры отличается от единицы, то
принятие за нуль показания прибора в
любом стационарном состоянии объекта
может привести к значительным
погрешностям.
2*

36
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
Например, если £е = 2000 млн"1;
F4 = 0,8; I = ЮОо'млн-1; Ft% = 1;
К = 2, то
1 / 1000 2000 \
Ле==-2-(-Т от) =
= — 750 млн"1.
Если принять Ft= lf то
Де' = -i- (1000—2000) = —500 млн"1.
Если принять Ft = 0,8, то
Л87 = "Ш*(1000~2000) =
= — 625 млн"1.
Относительная погрешность
вычисления для Ае' составит б' = 33 %;
для Де" — 6"= 17%.
Зависимость информативной
составляющей выходного сигнала от времени
определяется ползучестью тензорези-
стора
ls=KFte П_р(т)],
П (т)
где р (т) = —Tj~ относительная
ползучесть; П (т) — ползучесть тензоре-
зистора, выраженная в процентах.
Следует иметь в виду, что
установленная ГОСТ 21616—76 зависимость
П(т) = ЛпЛ1-е ап)
относится только к случаю
воздействия на тензорезистор постоянной
деформации и предназначена для
сравнительной оценки параметров
ползучести разных типов тензорезисторов
и контроля их при производстве (так же
как зависимость для дрейфа Д (т) =
= Лд\1 — е Д / справедлива
только для изотермических выдержек).
Эксперименты на
никель-молибденовом сплаве показали, что
длительные выдержки тензорезисторов при
высоких температурах, приводящие
к существенным структурным
изменениям, сопровождающиеся
изменением начального сопротивления тензо-
резистора до 16 %, не вызывают
изменения чувствительности сплава к
деформации.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕНЗОРЕЗИ*
СТОРОВ
Методы определения характеристик
тензорезисторов регламентированы
ГОСТ 21615—76. Комплекс
характеристик, предусмотренных
техническими условиями и ГОСТ 21616—76,
содержится в их паспорте. Однако
условия тензометрирования объектов
могут существенно отличаться от
предусмотренных при определении
метрологических характеристик по ТУ.
Например, дрейф и ползучесть в паспорт
тах тензорезисторов нормированы для
1 ч, а тензорезисторы могут
применяться для измерений длительностью,
существенно превышающей 1 ч. Дрейф,
ползучесть и воспроизводимость
нормированы только для максимальной
температуры, а в экспериментах
температура может отличаться от
допустимой максимальной и изменяться
в ходе эксперимента. Значения
температурных характеристик
сопротивления или диапазон термокомпенсации
при выпуске тензорезисторов получены
для материала, имеющего
определенный температурный коэффициент
линейного расширения (ТКЛР). Этот
коэффициент материала изделия может
отличаться от паспортного значения.
Например, тензорезисторы КФ5
выпускают самокомпенсированными для
материалов, имеющих ТКЛР, равный
12 млн"1 Х-1,16 млн"1 Х-1 или 23 млн"1
°С-1, что позволяет применять их при
измерении деформаций деталей из
углеродистых, а также
коррозионно-стойких сталей и алюминиевых сплавов.
Известно, что для углеродистых
сталей в диапазоне температур 20—100 °С
ТКЛР может колебаться в пределах
11—13,5 млн"1 0С_1, для
коррозионно-стойких сталей в пределах 15—
17 млн-^С-1, для алюминиевых
сплавов — в пределах 20—22 млн"1 °С~1.
Если тензометр ирование проводится
в климатическом диапазоне температур,
то указанные выше несоответствия
значений ТКЛР не приводят к
значительным погрешностям. Но даже при
сравнительно ,невысокой температуре
измерений, например 100 °С, погрешность

Метрологические характеристики высокотемпературных тензорезисторов 37
Рис. в. Установка СТТ-40 для определения чувствительности; функции преобразования
и ползучести тензорезисторов
выходного сигнала тензор езистор а
вследствие несоответствия
фактической и паспортной характеристик
тензор езистор а составит Ац =
= 200 млн"1 на каждую единицу ТКЛР
(при К = 2). При тензометр ировании
в диапазоне 300—500. °С эта
погрешность может существенно превышать
допустимукУ. Следует иметь в виду, что
в пределах одной марки металла
возможны колебания ТКЛР от плавки
к плавке и в зависимости от
термической обработки.
Изложенное обусловливает
необходимость определения ряда
метрологических характеристик
тензорезисторов с учетом условий экспериментов
[12; 17, с. 21; 8; 18, с. 10; 14, с. 31—35;
19],
Государственная поверочная схема
для средств измерений деформаций
(ГОСТ 8.543—86) создает возможность
обеспечения единства измерения
деформаций в нормальных условиях.
ГОСТ предусматривает наличие
установки высшей точности, установки
первого разряда и рабочих средств
для воспроизведения деформаций. Все
установки для определения
чувствительности или функции
преобразования должны быть аттестованы в
соответствии со схемой, приведенной
в ГОСТе.
Характерной особенностью
измерений деформаций в экстремальных
условиях является применение
привариваемых тензорезисторов. Для
градуировки таких тензорезисторов
используют установки с балкой постоянного
сечения, размеры которой
обеспечивают незначительные увеличения
жесткости балки при установке
тензорезисторов и расстояния
чувствительного элемента от нейтральной оси [5].
Примером является установка СТТ-40
[14]. Это устройство (рис. 6) имеет
градуировочную балку 1 толщиной
50 мм, длина ее рабочего участка 1 м.
Балка 1 установлена на неподвижных
опорах 2. Нагружение балки
осуществляется электродвигателем 4 через
коробку передач 5, шток 6 и
подвижную траверсу 3 с нагружающими
роликами 5. Реверсивный
электродвигатель 4 и сдвоенные нагружающие
и опорные ролики позволяют
осуществлять знакопеременное нагружение
одних и тех же тензорезисторов. Шток 6
соединяется с подвижной траверсой 3
через двусторонний шаровой шарнир
7, обеспечивающий равномерную
передачу усилий на оба конца балки.
Прогиб измеряют прогибомером (базой
630 мм) с растровым индикатором.
Отличительной особенностью
установки типа УТ-66 для определения
функции влияния температуры на
чувствительность и ползучести при
повышенных температурах [14, с. 24—31 ]
является нагрев балки
непосредственным пропусканием через нее
электрического тока промышленной частоты.
Градуировочная балка / (рис. 7)
сечением 6Х 14 мм и рабочим участком
длиной 200 мм установлена на^
неподвижных опорах 2 из
электроизоляционного материала. Усилие при
вращении маховичка 7 передается штоком
6 через призму 11 на траверсу 5,
которая в свою очередь передает нагрузку

38
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
Рис. 7. Установка для определения
функции влияния температуры на
чувствительность тензорезисторов
через призмы 9, тяги 10 и
нагружающие ролики 4 равномерно на оба конца
балки.
Вследствие линейной связи между
углом поворота нагружающего
маховичка 7 и прогибом в центре балки
нагружение тензорезисторов до
требуемой деформации осуществляется по
шкале лимба 8, прикрепленного к
маховичку 7, т. е. без помощи
индикатора, причем деления лимба
устанавливаются одинаковыми как при
нормальной, так и при повышенных
температурах.
Выравнивание температуры по длине
балки достигается подбором сечения
токопроводящих шин 5 с учетом
электрических и тепловых характеристик
материалов шин и балки. Отклонения
температур на рабочей длине балки
не превышают 3 °С.
При определении ползучести и
функции влияния температуры
поддержание постоянной температуры
осуществляется с помощью высокоточного
регулятора температуры 12 типа ВРТ-3.
Систематическая погрешность
воспроизведения деформации обусловливается
лишь увеличением толщины балки
при нагреве и устраняется внесением
соответствующей поправки.
Рис. 8. Установка ТВЦ-1 для
определения температурной характеристики
сопротивления тензорезисторов, ее
воспроизводимости и дрейфа
Случайная предельная погрешность
не превышает одного деления шкалы
лимба, соответствующего деформации
1,7 млн-1.
Установка типа ТВЦ-1 для
определения температурной характеристики
сопротивления и дрейфа
тензорезисторов содержит термостат с замкнутой
циркуляцией воздуха, нагреваемый
кольцевым электрическим
нагревателем / (рис. 8). Тензорезисторы 6 на
металлических подложках или образцы
с прикрепленными к ним тензорезисто-
рами (на рисунке не показаны)
устанавливают на трубчатую кассету 7,
помещаемую в термостат. Нагретый
воздух с помощью
электровентилятора 9 подается в пространство между
обтекателем 8 и кассетой 7, а также
между кассетой и экраном 2. Далее
воздух проходит в окна в верхней
части экрана 2 и через пространство
между экраном и теплоизоляционным
кожухом 5 опускается к нагревателю
1. Благодаря такой конструкции
термостата и системы нагрева отклонение
температур в кольцевой зоне установки

Характеристики промышленных тензорезисторов 39
тензорезисторов не превышает ± 1 °С,
а скорость нагрева достигает 10 °С/мин.
Коробление тензорезисторов на
металлической подложке исключается
тем, что пять тензорезисторов на общей
подложке не разрезаются, а целиком
устанавливаются на трубчатую
кассету в направляющих «?, причем эта
подложка имеет изгиб, вследствие чего
она не может коробиться в
направлении главной оси тензорезисторов.
Образцы с тензорезисторами также могут
устанавливаться в направляющие 3
трубчатой кассеты*
Для снижения погрешностей,
вносимых сопротивлением
соединительных проводов 4, находящихся в зоне
нагрева, они выполнены в виде
стержней диаметром 3 мм из коррозионно-
стойкой стали. Изменение
сопротивления этих проводов при нагреве
компенсируется с помощью компенсационной
петли.
В термостатов типа ТВЦ-1 определяют
также дрейф и воспроизводимость
температурных характеристик
сопротивления тензорезисторов.
Автоматизация сбора и обработки
информации при испытаниях
тензорезисторов важна при определении
всех метрологических характеристик.
Но наибольшее значение имеет
автоматизация управления процессом
испытаний и математическая обработка
результатов при определении
температурных характеристик
сопротивления. Одним из вариантов решения
этой задачи может служить АСУ
«Метрология» Института
машиноведения [6, 15]. В АСУ входят: термостат
ТВЦ-1, коммутаторы тензорезисторов
и термопар, измерительная система
ТК-80 и ЭВМ. Были применены мини-
ЭВМ серии СМ. Программное
обеспечение системы осуществляет:
контроль функционирования системы
перед началом испытания
тензорезисторов. Предусмотрено наблюдение за
показаниями контрольных точек, в
которые включены полумосты,
содержащие стабильные сопротивления, и
средним квадратическим разбросом
показаний прибора при многоразовом
опросе всех измерительных точек;
выравнивание с заданной точностью
температуры в пяти точках сечения
установки тензорезисторов на
заданных температурных ступенях;
пятикратный опрос показаний
приборов для всех термопар и
тензорезисторов;
вычисление средних значений
показаний приборов для каждого тензо-
резистора и каждой термопары после
необходимой статистической обработки
на всех ступенях нагрева;
вычисление средних значений
выходных сигналов тензорезисторов для
группы тензорезисторов и температуры
на каждой ступени нагрева;
аппроксимацию средних значений
выходных сигналов тензорезисторов
полиномом третьей степени и
приведение характеристики к 25 °С согласно
ГОСТ 21615—76;
аппроксимацию индивидуальных
характеристик с помощью полинома
средних значений и нахождение
значений индивидуальных поправок Ъ%
для каждого тензорезистора;
выдачу на печать паспорта для
группы тензорезисторов.
В паспорте содержатся сведения об
экспериментальных температурах и
/ значениях средней характеристики,
средней квадратической погрешности
аппроксимации температурной
характеристики (5at), значения
коэффициентов полинома. Для каждого тензоре-
зистора выводятся значения \ц тах,
bi и Satiy а также значения средней
температурной характеристики для
заданных фиксированных значений
температуры.
Применение АСУ «Метрология»
позволяет значительно уменьшить
продолжительность испытаний
тензорезисторов при высоких температурах,
что уменьшает погрешность
градуировки составляющей, обусловленной
дрейфом. Полное время определения
температурных характеристик
сопротивлений группы тензорезисторов в
диапазоне температур 20—450 °С (при
однократном нагреве) не превышает
40 мин.'
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ
Для измерения деформаций при
высоких температурах
приборостроительная промышленность выпускает

40
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
Рис. 9. Форма чувствительных элементов тензорезисторов КФ4 и КФ5:
а — одиночный тензорезистор формы Ш; б — равноугольная розетка формы Р5; в —
мост тензорезисторов формы М для установки на мембрану; г — розетка
тензорезисторов формы РЗ для определения остаточных напряжений; д — цепочка одиночных
тензорезисторов формы Ц1: е — цепочка равноугольных розеток формы Ц4
два типа фольговых приклеиваемых
тензорезисторов — КФ4 и КФ5 и
один тип проволочного
привариваемого тензорезистора — НМТ-450.
Кроме того, разработаны и
выпускаются опытные образцы или партии
тензорезисторов, применяемые в самых
различных областях. Сведения об этих
тензорезистор ах приведены в работах
[8; II; 17, с. 20, с. 23—24; 18, с. 4—5].
Тензорезисторы типа КФ4 и КФ5 —
с чувствительным элементом из
константа новой фольги, приклеиваемые;
КФ4 — на полиимидной пленке; КФ5—
на термостойкой бумаге, пропитанной
клеем ВС-350. Тензорезисторы КФ5
применяют и в качестве
чувствительного элемента силоизмерительных
датчиков.
В зависимости от конфигурации
чувствительных элементов и их числа
на одной подложке выпускают
тензорезисторы разных исполнений:
прямоугольные, розеточные, мембранные,
а также цепочки тензорезисторов
(рис. 9, табл. 1).
Тензорезисторы термокомпенсиро-
ваны в интервале температур 10—
120 °С для материалов с ТКЛР
12 млн"1 °С-1, 16 млит1 ^ и
23 млн"1 °С~1. В этом интервале
значения температурных характеристик
сопротивления тензорезисторов не
выходят за нормированные пределы
220 млн"1.
Тензорезисторы выпускают с
номинальным значением сопротивления 100,
200 и 400 Ом и базой от 0,5 до 20 мм.

Характеристики промышленных тенэорезисторов
41
1. Метрологические характеристики тенэорезисторов КФ4 i
Параметр
Предельное отклонение сопротивления от
номинального в партии, %
Максимальная измеряемая деформация, млн'1
Чу вствитель ность
Среднее квадратическое отклонение
чувствительности
Часовая ползучесть тенэорезисторов при
нормальной температуре, %:
КФ4
КФ5
Часовая ползучесть тенэорезисторов при макси-»
мальной рабочей температуре, %:
КФ4
КФ5
Максимальное значение температурной
характеристики сопротивления в интервале
термокомпенсации, млн"1
Сила тока питания, мА
я КФ5
Группа показателей
А
Б
в
±0,2
±3000
2,1
0,02
0,5
0,3
2,0
1,5
0,03
1,0
0,5
4,0
2,5
0,04
1,5
0,7
6,0
3,5
±220
30
Температурный диапазон работы
тенэорезисторов КФ4 и КФ5 определяется
типом применяемого клея. Тензоре-
зисторы поставляют в комплекте с
клеем циакрин марки ЭО или ВС-350.
Циакрин рекомендуется применять в
диапазоне температур —*50 Н- 50 °С,
клей ВС-350 в диапазоне температур
— 60 -Ь 200 °С.
Для расширения диапазона
применения тенэорезисторов КФ4 и КФ5
нужно проводить специальные
исследования: например, применять клей
различных марок и изучать
работоспособность тенэорезисторов в более
широкой области деформаций [17,
с. 21].
Тензорезисторы
высокотемпературные типа НМТ-450 — привариваемые.
Предназначены для измерения
деформации деталей машин при статических
и динамических нагрузках в диапазоне
температур 20—450 °С (табл. 2). Они
представляют собой проволочную
решетку с параллельным расположением
петель, закрепленную термостойким
связующим на подложке. Выводные
проводники приварены к решетке
контактной сваркой [15, с. 108—113].
Материал решетки —
никель-молибденовый сплав НМ23ХЮ—ВИ. Материал
выводных проводников — нихром
Х20Н80. Материал подложки —
коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н9Т.
Тензорезисторы такого типа
устанавливают на детали методом точечной
контактной сварки.
Тензорезисторы имеют
индивидуальные температурные характеристики.
Стабильность и воспроизводимость ха-

42
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
/
2. Метрологические характеристики высокотемпературных
привариваемых тензорезисторов типа НМТ-450
Параметры
Сопротивление при нормальной температуре R0t Ом
Допустимое отклонение в партии AR0i Ом
База тензорезистора /0, мм
Допустимое значение отклонения базы А/0| мм
Габариты подложки аХ6, мм
Чувствительность К
Допустимое значение СКО чувствительности в партии Sr
Допустимое значение ползучести П (%) тензорезистора при
е= 1000 млн"1 и /= 25 °С
Максимальное значение температурной характеристики
сопротивления при 450 °С и установке тензорезистора деталь из стали
12Х18Н9Т ltM, млн"»
Допустимое значение СКО температурной характеристики в
партии (при 450 °С) Su млн-*
Допустимое значение часового дрейфа выходного сигнала
тензорезистора при 450 °С Д*, млн"1
Минимальное значение сопротивления изоляции тензорезистора
при 450 °С #из, МОм
Диапазон измеряемых деформаций е, млн~я
Сила тока питания /, мА
Значение
100
2
7
1
20X9
1,9-2,0
0,03
0,2
7000
200
200
3
±2000
30
рактеристик при высокой температуре
достигаются термообработкой
тензорезисторов, входящей в
технологический процесс их изготовления. Режимы
термообработки конкретных сплавов
выбирают по результатам
исследований.
3000
2000
1000
1
^^т
2
^
1'00 200 300 t,°C
Рис. 10. Температурные характеристики
тензорезисторов с чувствительными
элементами из сплавов:.
/ — константан; 2 — Х20Н80ЮД—ВИ;
3 — НМ23ХЮ —ВИ
Конструкция и технология
изготовления термостойкого тензорезистора
НМТ-450, разработанные в ИМАШ
АН СССР, позволяют выпускать
модификации, область применения
которых расширена. Для установки на
углеродистые стали изготовляют тензо-
резисторы на подложке из нихрома
(вместо коррозионно-стойкой стали),
имеющего ТКЛР около 12 млн_1°С~\
В этом случае устраняются
температурные напряжения, возникающие в
подложке и шве приварки
тензорезистора к детали. Расширение рабочего
диапазона температур до 520—540 °С
возможно применением специальной
термообработки [14, с. 31—35]. В той
же конструкции тензорезистора при
замене сплава НМ23ХЮ—ВИ на
другую модификацию
никель-молибденового сплава НМ23ЮФ—ВИ диапазон
температур распространяется на
область от — 269 до + 300 °С.
Применение модифицированных
никель-хромовых сплавов (например,
Х20Н80ЮД) позволяет получить само-
термокомпенсированные тензорезисто-

Влияние нейтронного облучения на тензорезисторы
43
ры для диапазона температур 20—
350 °С [3].
По технологии, разработанной для
тензорезисторов НМТ-450, могут
изготавливаться приклеиваемые
тензорезисторы на временной подложке из
фторопласта.
На рис. 10 представлены
температурные характеристики
тензорезисторов с чувствительным элементом из
сплавов НМ23ХЮ—ВИ и
Х20Н80ЮД—ВИ. Для сопоставления
приведена характеристика самотермо-
компенсированного тензорезистора с
чувствительным элементом из констан-
тана.
ВЛИЯНИЕ НЕЙТРОННОГО
ОБЛУЧЕНИЯ НА ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
Ионизирующие излучения являются
одним из факторов, снижающих
точность тензометр ических измерений.
При значительных дозах излучения
измерения невозможны без принятия
мер, обеспечивающих инвариантность
схемы измерения к этому фактору.
Воздействие различных видов
излучения на тензорезисторы
неравнозначно. В связи с малой проникающей
способностью Р-излучение практически не
оказывает какого-либо влияния на
тензорезисторы и линии их связи
с измерительной аппаратурой.
Жесткое у-излучение, воздействуя на
кристаллическую решетку тензочувстви-
тельного сплава, вызывает
неконтролируемый подогрев чувствительного
элемента по отношению к температуре
исследуемой детали. При
определенных условиях (отсутствии схемной
компенсации, малой теплопроводности
связующего в тензор езистор ах) могут
возникать значительные погрешности
в измерении деформаций.
Наиболее существенным является
воздействие на чувствительные
элементы тензорезисторов тяжелых частиц
(особенно нейтронов). Тяжелые
частицы различной энергии могут
вызывать тепловые эффекты в
чувствительном элементе, образовывать как
точечные дефекты структуры типа
вакансия — смещенный атом, так и
протяженные дефекты типа треков с
выносом ионов за пределы структуры.
Воздействие таких частиц приводит
к необратимым изменениям
характеристик тензорезисторов и появлению
неинформативной составляющей
выходного сигнала, часто превышающей
информативную составляющую.
Исследования влияния
ионизирующих излучений на тензорезисторы,
проведенные в ИМАШ АН СССР
совместно с другими организациями, были
осуществлены в сухих каналах
различных атомных реакторов и
направлены в основном на исследование
влияния нейтронных потоков на дрейф,
температурную характеристику,
чувствительность тензорезисторов и
сопротивление изоляции.
Эксперименты показали
значительное влияние нейтронного облучения
на дрейф тензорезисторов. Поэтому
возникла необходимость разработки
методики исследования и
оборудования, обеспечивающего однородность
облучения групп исследуемых
тензорезисторов. На рис. 11 показан вариант
внутриканального устройства для
испытания тензорезисторов, которое
обеспечивает однородность облучения
за счет возвратно-вращательного
движения контейнера с тензорезисторами.
Контейнер (рис. 12) представляет
собой тонкостенную трубку (для
уменьшения саморазогрева) из коррозионно-
стойкой стали. Возможность
возникновения температурных напряжений
в средней части трубки, на которой
установлены тензорезисторы,
устраняется с помощью прорезей. По оси
трубки установлен нагреватель,
предназначенный для поддержания
заданной температуры тензорезисторов при
облучении, а также для нагрева при
определении температурных
характеристик до и после облучения.
Результаты исследования
тензорезисторов изложены в работах [4; 7;
14, с. 31—35], которые позволяют
сделать следующие основные выводы:
при облучении тензорезисторов из
сплава НМ23ХЮ—ВИ потоками
нейтронов интенсивность дрейфа и его
знак зависят от температуры; при
t > 220 °С сопротивление тензор
езистор а увеличивается; при t « 220 °С
нейтронное облучение влияет
незначительно; при / < 220 °С
сопротивление тензорезистора уменьшается;

44
ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ
/
Рис. 11. Внутриканальное устройство для
испытания тензорезисторов:
/ — контейнер с испытуемыми тензорези-
сторами: — штанга; 3 — жгуты
соединительных проводов; 4 — пробка
биозащиты; 5 — электродвигатель; 6 —
редуктор; 7 — реверсивное устройство
Рис. 12. Контейнер для внутриканальных
испытаний тензорезисторов:
/ — испытуемый тензорезистор; 2 —
термопара; 3, 7 — крышки; 4 — трубка; 5—
кожух; 6 — нагреватель; 8 —
направляющий ролик; 9 — датчик плотности потока
скорость дрейфа сопротивления
тензор езистор а по мере увеличения флю-
энса уменьшается — процесс затухает.
В качестве примера на рис. 13
приведен график среднего значения дрейфа
начального сопротивления
тензорезисторов при облучении потоком
нейтронов плотностью
jy-lQU . 101яНеЙТР°Н
см2-с
Ё,С,МЛН~7
30000
20000
10000
ф. ю ~7д нейтрон
9 СМ2
Рис. 13. Дрейф начального
сопротивления тензорезисторов при облучении
При этом измерения возможны
только с применением схемной компенсации
или тензорезисторов — свидетелей и
фиксацией промежуточных нулевых
отсчетов на ряде стационарных
состояний объекта;
одновременно с дрейфом начального
сопротивления тензор езистор а
происходит изменение его температурных
характеристик. Для приведенного выше
примера (рис. 13) после облучения
тензорезисторов до флюэнса 1,4 X
xloleJjefl^oHcpeflHee
сма
значение
температурной характеристики при t =
= 420 °С уменьшилось и составило
Afct = 1500 млн"1. При этом разброс
оказался незначительным, его
ско
S. = 40 млн-1;
чувствительность тензорезисторов
при облучении до флюэнса
_ _ 1AlQ нейтрон
7,7-1019 т;— не изменяется в
преем2 г
делах погрешности эксперимента,
которая составляла 6 = 4,5 %;
органосиликатные связующие при
облучении сохраняют свои
механические свойства (о чем свидетельствует
неизменность чувствительности тензо-
резистора). Сопротивление изоляции
тензор езистор а уменьшается и
достигает 1 МОм при плотности нейтронного
.. 1Л« нейтрон
потока N = 103 ^-— и температуре
400 °С.
Приведенные выше данные были
получены при потоках высокой
плотности и длительном облучении для
получения значительных флюэнсов.
Эти условия характерны для
измерений вблизи активной зоны. Потоки

Список литературы
45
меньшей плотности оказывают
существенно меньшее воздействие. Так>
например, при облучении потоками
нейтронов плотностью ^10я-г-
нейтрон са 2 нейтрон
см2 • с Y см2
среднее значение изменения
начального сопротивления составило |с =
= 400 млн"1 при СКО 5С = 20 млнт1.
Приведенные выше результаты дают
некоторые сведения о поведении тензо-
резистрров при нейтронном облучении.
Однако в этой области исследования
тензорезисторов остаются
невыясненными еще многие вопросы. Среди них
наиболее важным является изучение
влияния энергетического спектра
нейтронов и плотности потока при
облучении на характеристики тензорези-
сторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агарфнник В. Я., Васильев А. А.,
Дайчик М. Л. Исследование
характеристик высокотемпературных тензорезисто-
ров//Исследование температурных
напряжений. М.: Наука, 1978. С. 103—131.
2. Базжин Ю. М., Клокова Н. П.,
Храковский А. И. Оптимизация
межотраслевой номенклатуры выпуска тензо-
резисторов//Измерительная техника. 1982.
№ 9. С. 25-26.
3. Васильев А. А., Дайчик М. Л.»
Поляков А. Л. Повышение
достоверности тензометрирования в экстремальных
условиях//Тр. 3-го Международного
конгресса по экспериментальной механике.
США, Вестпорт: 1974. С. 189 — 193.
4. Дайчик М. Л., Иванов В. М.,
Ильинская Л. С, Поднебеснов В. В.
Исследование метрологических
характеристик термостойких тензорезисторов для
измерений в энергетическом оборудова-
нии//Методы исследования напряжений
на моделях и в натурных конструкциях.
М.: Наука, 1980. С. 3—10.
5. Ильинская Л. С, Иванов В. М.,
Поднебеснов В. В. Высокотемпературные
тензорезисторы на основе жаростойких
окислов. М.: Энергия, 1973. 70 с.
6. Ильинская Л. С, Кулаков П. П.,
Цугба А. Р. Состояние и задачи
метрологического обеспечения разработки и
исследования высокотемпературных тен-
зорезисторов//Измерительная техника.
1982. № 9. С. 26 — 28.
7. Ильинская Л. С, Люд мир екая О. Б.,
Поляков А. Л., Фетисов Б. В.
Особенности тензометрирования в условиях
нейтронного облучения//Экспериментальные
методы исследования деформаций и
напряжений в конструкциях. М.: Наука, 1977.
С. 11 — 18.
8. Исследование и применение
тензорезисторов типа ТТР-ЛС-22-23 в
лабораторных и полупромышленных испытаниях
в рабочей области температур 20...550°С/
Е. Ю. Нехендзи, Э. Н. Соколов, Э. А. Ха-
енна, А. И. Микеничев, Л. Е. Рахлина//
Тезисы докладов Всесоюзной
научно-технической конференции «Состояние и
перспектива развития электротензометрии».
Л.: ЛДНТП, 1973. С. 28—30.
9. Клокова Н. П. Компенсация
временных погрешностей тензорезисторных
измерительных устройств//Измерительная
техника. 1985. № 9. С. 51—52.
10. Клокова Н. П. Современное
состояние и перспективы разработки тензо-
резйсторов//Измерительная техника. 1984.
№ 7. С. 39-42.
11. Клокова Н. П. Тензодатчики для
измерений при повышенных
температурах. М.: Машиностроение, 1965. 120 с.
12. Косое Л. И. Определение
погрешностей образцовых средств и границ
влияющих величин при метрологической
аттестации тензорезисторов//Измеритель-
ная техника. 1982. № 9. С. 38—39.
13. Людмирская О. Б., Поляков А. Л.,
Червоненкис А. Я. Оценка погрешности
температурной зависимости
сопротивления тензорезисторов//Измерительная
техника. 1986. № 4. С. 62 — 63.
14. Методы исследования напряжений
в конструкциях/Под ред. Н. И. Приго-
ровского. М.: Наука, 1976. 131 с.
15. Методы исследования^
напряжений в конструкциях энергетического
оборудования/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1983. 180 с.
16. Метрологическая аттестация тензо-
метрической установки СТТ-40/Г. 3.
Веселый, М. Л. Дайчик, Л. С. Ильинская,
М. М. Лупинский, В. Н. Лельская//Из-
мерительная техника. 1982, № 1.С. 54 — 55.
17. Тензометрия —76//Тезисы докладов
Всесоюзной научно-технической
конференции «Методы и средства тензометрии и их
использование в народном хозяйстве»
(Кишинев, 10—12 ноября 1976 г.) М.:
ИМАШ АН СССР, 1976. 136 с.
18. Тензометрия — 79//Тезисы докладов
Всесоюзной научно-технической
конференции «Методы и средства тензометрии и их
применение в народном хозяйстве»
(Кишинев, 31 окт. —1 нояб. 1979 г.J М.:
ИМАШ АН СССР, 1979. 178 с.
19. Шахматов Д. Т. Высокотемпера*
турная тензометрия. Методики и
тензорезисторы. М.: Атомиздат, 1980. 126 с.
20. Экспериментальные исследования и
расчет напряжений в конструкциях/Под
ред. Н. И. Пригоровского. М.: Наука,
1975. 163 с.

Глава
ОБЩАЯ СТРУКТУРА ТЕНЗОМЕ-
ТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Необходимость в экспериментальном
определении
напряженно-деформированного состояния деталей машин и
конструкций возникает при
ограниченной достоверности расчетных методов
и недостаточно надежных сведениях
о фактических нагрузках и их
изменениях во времени при эксплуатации.
Поэтому при проведении тензометри-
рования наряду с измерением
деформаций должно быть обеспечено
измерение ряда сопутствующих физических
величин, обусловливающих нагружен-
ность конструкции. Этими величинами
могут быть сосредоточенные и
распределенные силы, температура или
параметры режимов исследуемых объектов
(например, мощность, скорость
движения или частота вращения,
индукция магнитного поля и др.).
Сложность конструкции и условий
нагр ужения, та или иная степень
недостаточности методов расчета
определяют число точек измерения
деформации, температуры и сопутствующих
параметров. Общее число
измерительных точек при тензометрировании
колеблется в зависимости от указанных
причин от единиц до нескольких тысяч.
Как известно, с помощью тензорези-
сторов могут быть измерены только
деформации в направлении их
продольных осей. Необходимые
экспериментатору значения главных деформаций
и напряжений должны быть вычислены,
как правило, по совокупности
показаний ряда тензорезисторов,
образующих розетку. При этом во многих
случаях должен быть внесен ряд поправок,
связанных с условиями проведения
измерений. (Поэтому тензометр ическая
информационно-измерительная система <
должна включать в свой состав
универсальную или специализированную
ЭВМ и представлять собой совокуп-
ПОСТРОЕНИЕ
ИНФОРМАЦИОННО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
ТЕНЗОМЕТРИИ
ность аппаратных и программных
средств, обеспечивающих сбор и
обработку информации о деформациях
и физических величинах,,
характеризующих режим работы исследуемого
объекта и необходимых для анализа
его напряженно-деформированного
состояния [2].
Средства тензометрии включают в
себя первичные преобразователи и,
соединительные линии, которые
монтируют на объекте исследования или
испытания. Поэтому, как правило,
тензометр'ическая
информационно-измерительная система не может быть
полностью реализована и аттестована
изготовителем ее аппаратной части.
Это предъявляет дополнительные
требования к совместимости ее составных
частей, гибкости структуры, методике
выполнения измерений и, особенно,
к оценке погрешности измерений [3;
6; 10, с. 169, с. 184—185].
, В зависимости от задач исследования
применяют многоканальные и
многоточечные тензометр ические системы.,
Многоканальная измерительная
система (рис. 1, а) позволяет осуществить
одновременную регистрацию
информации во всех измерительных точках.
Для этой цели она содержит п
первичных преобразователей
(тензорезисторов и датчиков сопутствующих
параметров) и такое же число
нормирующих преобразователей,
обеспечивающих преобразование сигналов
первичных преобразователей в стандартные
сигналы ГСП (Государственной
системы приборов). Выходы нормирующих
преобразователей включены на вход
многоканального регистрирующего
устройства, содержащего не менее п
каналов регистрации.
Как правило, такие системы приме-
< няют для исследования динамических
деформаций, они позволяют
исследовать процессы с частотами до десятков
и сотен килогерц* Нормирующие пре-

Общая структура тензометрических систем
47.
Объект исследования
I I I
Первичные
преобразователи
Нормирующие
Многоканальный регистратор
Объект исследования
I I I
Первичные
преобразователи
Нормирующие
преобразователи
I I I
Коммутатор каналов
а)
I Одноканальный регистратор
Рис. 1. Структурные схемы многоканальной (а); многоточечных (о* и в)
измерительных систем
образователи в таких системах
представляют собой аналоговые
усилительные устройства. В качестве
регистраторов для визуальной оценки
процессов (что бывает необходимо на первой
стадии исследований) применяют
катодные и светолучевые осциллографы.
Для обеспечения возможности
накопления больших объемов информации
и последующей ее обработки
применяют многоканальные магнитографы (см.
приложение 6).
Для быстропротекающих
высокочастотных процессов возможно
применение аналого-цифровых
преобразователей на выходе нормирующих
усилителей с последующей регистрацией
в кодовой форме с помощью
электронных запоминающих устройств,
аналогичных применяемым для оперативной
памяти ЭВМ.
Многоканальные системы в такой
комплектации предусматривают
обработку информации после завершения
ее регистрации. Одновременная
регистрация многих каналов позволяет
при обработке определять взаимосвязи
между отдельными
зарегистрированными процессами, например, функции
взаимной корреляции или взаимную
спектральную плотность, что имеет
существенное значение при оценке
связи возмущающих сил и отклика
системы.
На рис. 2 представлена структурная
схема информационно-измерительной
системы для исследования
динамических деформаций с развитой группой
внешних устройств. Как правило, на
первых этапах исследования машин
бывает необходима визуальная оценка
исследуемых процессов. С этой целью
применяют светолучевые
осциллографы. При исследовании гармонических
процессов оценка их эффективного
или амплитудного значения может
быть выполнена с помощью
электронных вольтметров. В этих же случаях
фазометры применяют для оценки
фазовых соотношений между
возмущающими силами и откликом исследуемого
объекта или между динамическими
деформациями в различных точках
объекта или детали. При исследовании
случайных процессов осуществляют
регистрацию с помощью
магнитографов, которые позволяют выполнить
последующий автоматизированный
анализ. Наиболее универсальным
средством анализа являются электронные
вычислительные машины, которые с
помощью соответствующих программных
средств могут обеспечить как
спектральный или корреляционный анализ,
так и амплитудный анализ для оценки
ресурса исследуемых' машин и
конструкций. В этом случае
зарегистрированные на магнитографе аналоговые
■"сигналы подаются на ЭВМ через
преобразователь аналог — код. В ряде
случаев для решения этих задач могут
быть применены специализированные
анализаторы.
Таким образом, многоканальные
системы обладают весьма важными для
исследования машин свойствами. Тем

48 ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ систем/
Объект исследования
X
Первичные преобразователи
I Нормирующий преобразователь I
Осциллограф I вольтметр
ЗВМ
Фазометр
X
X
Магнитограф
X
Спектральный^
анализатор
X
Коррелятор
Амплитудный
анализатор
Рис. 2. Структурная схема информационно-измерительной системы для исследования
динамических деформаций
не менее область их применения
практически ограничена исследованием
динамических деформаций. Это
объясняется их аппаратной громоздкостью
(большое число нормирующих
усилителей, многоканальные регистраторы),
а следовательно, сложностью в
эксплуатации и высокой стоимостью.
Многоточечные* измерительные
системы (см. рис. 1, б и в)
предусматривают применение одноканального
устройства для регистрации (накопления)
и обработки информации с
распределенной во времени регистрацией каналов.
Это распределение осуществляется с
помощью коммутатора (или
коммутаторов) каналов. При этом, как показано
далее, каналы могут следовать в аппа-
ратно-фиксированном порядке,
определяемом их распределением в
коммутаторе, или порядок следования
каналов может определяться
программой, задаваемой ЭВМ, включаемой
в состав устройства для регистрации
, и обработки информации.
Как следует из структурных схем,
приведенных на рис. 1, бив, последние
различаются включением
нормирующих преобразователей. Варианте
предусматривает включение нормирующих
преобразователей между первичными
преобразователями и коммутатором.
В этом случае облегчаются
требования к коммутатору, но не сокращается
по сравнению с вариантом а число
нормирующих преобразователей. Вариант
в наиболее экономичен по'аппаратным
средствам и обычно реализуется в
промышленных образцах приборов.
Построение структурной схемы
многоточечной
информационно-измеритель ной системы для исследования
статических и квазистатических
деформаций применительно к задачам
высокотемпературной и криогенной
тензометрии приведено на рис. 3. В системе
имеется две группы первичных
преобразователей — тензорезисторы и
преобразователи для измерения
температуры объекта, например,
термопары. На практике с помощью
преобразователей этого типа могут быть
измерены и сопутствующие параметры.
Поэтому на схеме не выделена
отдельная группа преобразователей для
регистрации этих параметров. Большое
число точек измерения и часто
встречающееся на практике их разнесение
на значительные расстояния
вынуждают применять в системе несколько
отдельных коммутаторов, которые
объединяются с помощью групповых
коммутаторов. Сигналы от тензорезисто-
ров и термопреобразователей через
коммутаторы и групповые
коммутаторы подаются на аналого-цифровой
преобразователь, а затем через
устройство сопряжения на ЭВМ.
Управление коммутаторами от ЭВМ
осуществляется через групповые
коммутаторы и может быть организовано
с помощью программных средств в
любой последовательности.
Применение временного уплотнения
каналов в многоточечных системах
предъявляет определенные требования
к быстродействию коммутатора и АЦП.
Эти требования определяются
характером исследуемых процессов,
допустимой погрешностью измерения и спо-

Инвариантность тензометрических систем к температуре
49
Объект исследования
I
Тензор ej и с/поры
X \i X X ш
Устройства связи с ЭВМ
и
ЭВМ
Рис 3. Структурная схема высокотемпературной многоточечной
информационно-измерительной системы для исследования статических и квазистатических деформаций
собом управления коммутаторами.
Многоточечные системы применяют для
исследования статических деформаций
и деформаций при переходных
процессах. Требуемое быстродействие зависит
от скорости изменения исследуемых
параметров при переходных процессах.
Определяющим является необходимая
частота опроса (квантования по
времени) канала, регистрирующего процесс,
протекающий с максимальной
скоростью. Необходимая частота
квантования зависит также от способа
математической обработки дискретной
измерительной информации, которая
применяется для восстановления
непрерывного исследуемого процесса (подробнее
см. [1,5]).
Данные о приборах и измерительных
системах, выпускаемых отечественной
промышленностью, позволяющих
проводить исследования деформаций в
лабораторных стендовых и натурных
условиях, приведены в гл. 4.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНВАРИАНТНО-
СТИ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ
СИСТЕМ К ТЕМПЕРАТУРЕ
Изменение сопротивления тензоре-
зисторов под воздействием измеряемой
деформации весьма мало по сравнению
с его номинальным сопротивлением,
а часто и с его изменением за счет
воздействия влияющих величин
(температуры, радиационного облучения,
времени). Поэтому на входе приборов или
систем тензор езисторы включаются в
мостовые или аналогичные схемы,
позволяющие измерять изменение их
сопротивления, а также обеспечить ту
или иную степень инвариантности
к воздействию влияющих факторов
[4, с. 369—372; 7;, 8; 9].
Наиболее распространенная трех-
проводная схема включения тензоре-
зисторов представлена на рис. 4 — /, а.
Рабочий (/?р) и компенсационный (RK)
тензор езисторы установлены в зонах
с одинаковой температурой. На
рабочий тензорезистор воздействуют
измеряемая деформация и температура.
На компенсационный тензорезистор
влияет только температура.
Соединительные провода к рабочему и
компенсационному тензорезистор ам —
одинаковой длины и находятся при
одинаковой температуре. На рис. 4 — 1,6
представлена эквивалентная схема для
такого включения тензорезисторов.
Если выполняются указанные выше
условия, то изменение температуры
не приведет к изменению баланса
мостовой схемы. Это обеспечивает
устранение аддитивной погрешности от
изменения температуры. Но как следует
из рис. 4—/, б, линии с сопротивле-

50 ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ /
Ш
I CZD-j-CZH .
J F4
Рис. 4. Схема включения рабочего и
компенсационного тензорезисторов (а) и ее
эквивалентная схема (б):
I — трехпроводная; // — четырехпровод-
ная; /// —' пятипроводная
ниями гл включены последовательно
с тензорезисторами, что приводит к
уменьшению чувствительности схемы
к измеряемой деформации, т. е. к
образованию мультипликативной
погрешности, которая зависит от
соотношения rjR и изменяется при изменении
температуры. Иногда вместо трехпро-
водной схемы применяют четырехпро-
водную (рис. 4—//). Такое включение
приводит к увеличению (по сравнению
дд
*ПП* |J* щ
Рис. 5. Модифицированная пятипроводная
схема (а) и ее эквивалентная схема (б")
с трехпроводной схемой)
мультипликативной составляющей погрешности.
Это объясняется тем, что значение гл
для этой схемы (при одинаковых
сечениях и длинах соединительных
проводов) в 2 раза больше, а исключение
сопротивления из измерительной
диагонали не имеет практического
значения, так как входное сопротивление
современных приборов во много раз
превышает гл.
Исключение мультипликативной
составляющей не может быть достигнуто
полностью применением пятипровод-
ной линии, как показано на рис.
4—III, а. Как следует из
эквивалентной схемы (рис. 4—III, б)у линия с
сопротивлением гл включена
последовательно в диагональ питания, что
приводит к снижению напряжения
питания на мосте.
Устранение мультипликативной
составляющей может быть достигнуто
модифицированной пятипроводной
схемой, приведенной на рис. 5. Возможно
несколько вариантов применения этой
схемы. Первый — измерение
фактического напряжения в диагонали
питания Е' и внесение соответствующих
поправок; второй — использование
напряжения Е' в приборах,
применяющих компенсационный метод
измерения; третий — применение
электронных схем для уравнивания
напряжений Е' = Е. Подробнее эти способы
будут рассмотрены при описании
конкретных тензометрических приборов.
В ряде случаев тензометрирование
выполняется без применения компен-

Инвариантность тензометрических систем к температуре
51
я-
Q'
R1
R2 \ \ R1 М \ \ R1 R2
и
-of о-
О)
R1 R2
-о £ о-
6)
R1 R2
>£ о-
S)
Рис. 6. Схемы включения рабочего тензорезистора при постоянном резисторе в смежном
плече:
а — четырехпроводная; б — трехпроводная; в ^ эквивалентная; / *-• длина
соединительной линии к тензорезистору
сационного тензорезистора. В этом
случае при вычислении деформации
вносится поправка на температурную
характеристику рабочего
тензорезистора. В смежное с тензорезистором
плечо устанавливают стабильное
сопротивление Я0, которое включают
в мостовую схему через так
называемую компенсационную петлю (рис. 6).
Применяют два варианта включения
(варианты а и б на рис. 4—///).
Очевидно, что при использовании
варианта а сопротивление гл в 2 раза
больше, чем при использовании
варианта б. Поэтому, если не возникают
какие-либо дополнительные
обстоятельства, следует отдавать
предпочтение варианту б. Необходимо иметь
в виду, что и при использовании схем
с одиночным тензор езистором возможно
применение схем, подобных
приведенным на рис. 5.
На практике иногда бывает
затруднительно или невозможно довести
многопроводную линию до точки установки
тензорезисторов на детали. В этих
случаях от прибора до коммутатора
ведут пятипроводную линию, а от
коммутатора до тензорезистора — трех-
проводную. При этом необходимо
оценить возможную погрешность
измерения. Относительная
мультипликативная- погрешность измерения
выходного сигнала тензорезистора составит
где £д — действительное значение
выходного сигнала тензорезистора; £и—'
измеренное значение выходного
сигнала тензорезистора; гл —
сопротивление соединительной линии; R0 —
начальное сопротивление
тензорезистора.
Следует обратить внимание, что
выявляется функцией температуры,
поскольку гл зависит от температуры.
Применение схем, обеспечивающих
инвариантность включением
соединительных линий в смежные плечи,
требует большой тщательности при
выполнении монтажа. Даже
незначительная разность длин проводов А/
при высокой температуре может
привести к значительной аддитивной
погрешности AJ-. Эта погрешность может
быть оценена ориентировочно по
формуле
, глоА/рА/
Яро
А£<
6£ =
, 6д"~~ Ей
где гло — погонное сопротивление
провода соединительной линии; А/ —
разность длин проводов соединительных
линий рабочего и компенсационного
тензорезисторов; Р — температурный
коэффициент сопротивления
соединительных проводов; At— изменение
температуры в процессе измерения; #р0 —
начальное сопротивление рабочего
тензорезистора.
В качестве примера в табл. 1
приведены значения мультипликативной
погрешности 6 при измерении дефор-

52 ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
1. Мультипликативная погрешность
в зависимости от температуры
Диаметр
провода,
мм
0,31
0,41
0,80
Погрешность б (%)
при температуре, °С
100
3
1,8
0,5
200
4
2,3
0,6
300
5
2,8
0,7
400
6
3,4
0,9
500
7
3,9
1,0
2. Аддитивная погрешность
в зависимости от температуры
Диаметр
провода,
мм
0,31
0,41
0,80
Погрешность Д£ (млн _1)
при температуре /, °С
100
75
40
10
200
170
100
25
300
260
150
40
400
350
200
50
500
450
260
70
мации тензорезисторами
сопротивлением Rp0 = 100 Ом в диапазоне
температур до 500 °С с применением
медных соединительных проводов
диаметром 0,31—0,8 мм при длине / =
= Юм.
Мультипликативная составляющая
погрешности приобретает особо
важное значение при измерении
деформации одним рабочим тензорезистором
и математическом внесении поправок
на значение температурной
характеристики. Например, для провода
0 0,31мм при температуре 500 °С
6=7% (см. табл. 1). Если применяли
тензорезисторы, имеющие значение
£t = 10 000 млн"1 (при температуре
500 °С), а измеряли деформацию 8 =
1000 млн-1, т. е. £е « 2000 млн"1 (при
К =2), то 1= lt-fU= 10 000 +
+ 2000 = 12 000 млн"1. Для этого
примера абсолютное значение
мультипликативной погрешности Ам =
= 161 = 12 000-7- 10~a = 840 млн"1
что составит 42 % от измеряемого
значения |е.
Аддитивная составляющая
погрешности зависит от разности длин
проводов в рабочем и компенсационном
плече. Примем условия эксперимента,
приведенные для предыдущего
примера, а разность длин проводов составит
1 % от их длины. Результаты подсчета
приведены в табл. 2.
Приведенные выше оценки
погрешности, обусловленные влиянием линий,
соединяющих тензорезисторы в
мостовую схему, были сделаны на примере
схем небалансного метода измерений.
Аналогичные результаты могут быть
получены и для схем, использующих
нулевой метод измерения.
ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕНЗОМЕТРЙЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
И СИСТЕМ
В тензометрии широко применяют
небалансные и нулевые методы
измерений при мостовом включении тензо-
резисторов и питании схемы
напряжением, постоянным по величине. В связи
с повышением быстродействия систем
и вытекающей отсюда необходимостью
перехода к бесконтактным средствам
коммутации тензорезисторов получили
развитие схемы включения тензорези-
сторов, предусматривающие питание
постоянным по величине током.
При небалансном методе измерений
(рис. 7) функция преобразования
нелинейна и, если принять меры к
исключению влияния соединительных
проводов, может быть представлена
формулой
1 +gp —сх(1 +gK)
где N( — показания прибора; т —
масштабный коэффициент; £р и £к —
выходные сигналы рабочего и
компенсационного тензорезисторов
соответственно; а — коэффициент асимметрии
моста; а = Я0к/#ор> где /?ор и Яок —
начальные сопротивления рабочего и
компенсационного тензорезисторов
соответственно.

Функции преобразования тензометрияеских приборов и систем 53
(3)
Коэффициент ее может быть найден
по показаниям N0 прибора в исходном
состоянии, когда £р = £к = 0:
а== 2 + mN0- (2)
После подстановки (2) в (1) получим
mNt = 2 х
X[2mJV0 + (2 + mtf0)£p-
_(2-тЛГ„)|„]/
/[4 + (2 + mAf„)ip +
+ (2-«ЛГ,)Ь1
При отсутствии асимметрии моста
(N0 = 0) выражение (3) упрощается:
тЫ 2«р-Ь0
mAf'=2 + ip + gK-
Уравнение (3) может быть приведено
к виду, обычно применяемому в
тензометрии для нахождения разности
выходных сигналов рабочего и
компенсационного тензорезисторов:
Sp 6к- (2 + тЛ'0)(2 — mNt) А
X(l+5„). (4)
Как следует из (4), разность £р — |к
не может быть вычислена без внесения
поправки (1 + £к) на значение
выходного сигнала компенсационного тензо-
резистора. Исключение составляет
случай симметричного моста при
измерении изгибных деформаций, т. е. когда
Af0 = 0, а £к = —|р. В этом случае
уравнение (4) упрощается:
6'= mN/2.
В ряде случаев поправка (1 + £к)
может быть незначительной и не
превышать допустимой погрешности,
например, в случае применения самотер-
мокомпенсированных тензорезисторов
и измерения небольших деформаций.
Как показано в гл. 2, выходной
сигнал тензорезистора представляет собой
сумму деформационной,
температурной и временной составляющих:
Б = Ь + 6« + Бс (5)
Таким образом, показания
тензометр ического прибора, как следует из
(3), являются в общем виде функцией
-о Е о-
Рис. 7. Принципиальная схема моста при
небалансном методе измерений:
R и RK — тензорезисторы; R1, Я2 —
постоянные резисторы
шести неизвестных. Поэтому
нахождение информативной составляющей
выходного сигнала рабочего
тензорезистора £ер возможно только при
выполнении ряда условий.
1. Деформация, воспринимаемая
компенсационным тензор езистор ом,
должна быть однозначно связана с
деформацией, воспринимаемой рабочим
тензор езистором:
£ек = Цер = №>г-
На практике возможны три
значения X:
X = 0, когда компенсационный тензо-
резистор не воспринимает измеряемую
деформацию (способ установки
тензорезистора для этого варианта
рассмотрен в гл. 6);
Я = — ji, когда деформацию
измеряют при одноосном напряженном
состоянии и компенсационный тензо-
резистор установлен в направлении,
перпендикулярном рабочему тензоре-
зистору;
Я = — 1, когда измеряют изгибные
деформации и тензорезисторы
установлены на сторонах детали,
испытывающих равные, но обратные по знаку
деформации.
2. Температурные составляющие
выходных сигналов рабочего и
компенсационного тензорезисторов должны
быть либо пренебрежимо малы, т. е.
тензорезисторы должны быть самотер-
мокомпенсированы, либо определены
измерением температуры в местах
установки рабочего и компенсационного
тензорезисторов и вычислением
значений £/р и 1;к по значениям
коэффициентов полиномов, указанным в паспорте
на тензорезисторы.

54 ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ'
-о £ о
Рис. 8. Принципиальная схема моста при
нулевом методе измерений:
R и RR — тензорезисторы; R1 к R2 —
постоянные резисторы; Rm j 2 З...п —
шунтирующие резисторы для
балансировки моста; 1,— нуль-орган
3. Длительные измерения
деформаций в диапазоне температур, которые
приводят к существенному изменению
начального сопротивления, возможны
только в том случае, если
тензорезисторы специально градуированы по
этому параметру и подобраны в пары
с практически равными значениями
функции £ср (т) = 1СК (т), а для
внесения поправки на значение £с при
натурном эксперименте устанавливают
тензорезисторы — свидетели, с
помощью которых значения £с для любого
момента времени могут быть найдены.
С учетом изложенного и соотношения
(5) можно привести формулу (4) к виду,
удобному для вычисления £е-
Введем обозначения для
приведенной разности показаний прибора:
т% (2 + mN0)(2-mNi) * w
Тогда из выражения (4), с
использованием формулы (6), получим
Ее = [1-Х(1+Л*|)]-*Х
х {Mi —[6tP —Б*»—
-ЛМ^к + Ес)». (7)
Во многих случаях можно
пользоваться упрощенным выражением
. Mt-fep-l*,)
Се = ] к . (о)
При этом должна быть оценена
возможная погрешность и сопоставлена
с допустимой. Следует обратить
внимание на то, что формула (4) и
вытекающие из нее (7) и (8) предполагают, что
отсчет N0 получен при |в = 0, £/ = О
и 5с — 0- Если отсчет получен при
значениях этих величин, отличных от
нуля, то вычисление £е по этим
формулам может быть выполнено с некоторой
погрешностью, которая должна быть
оценена.
В случае применения нулевого
метода измерений в цифровых тензомет-
рических приборах используют
мостовые схемы с управляемой
проводимостью в плече, противоположном плечу
с рабочим тензорезистором, как
показано на рис. 8.
Проводимость изменяемого плеча
G = G0 + NAG,
где <j0 — начальная проводимость
плеча; G0 = \lR2\ AG — проводимость,
соответствующая единице дискретности
прибора; N. — показания прибора.
Условие баланса моста
J^ = R1(G0 + NAG) =
«А о+"-*■)
Обозначим AG/G0 = m; тогда
аналогично выражению (1)
miVi=pr+£""lf (9)
где Р = Лр/Лк.
В начальный момент при |D = 0 и
1к=0
m/V0=P-l; Р= l + mN0. (10)
После подстановки (10) в (9) получим
mNi —
(1+дЛГ»)(1 + £р)-(1 + Ен)
Решая это уравнение относительно
разности выходных сигналов, получим
(И)

Функции преобразования тензометрияеских приборов и систем 55
В отличие от небалансного метода
измерений приборы нулевого метода
имеют линейную шкалу при
неизменном сопротивлении в компенсационном
плече, т. е. измеренный выходной
сигнал тензорезистора
m(Nt-N0)
е l+mN0 •
С ограничениями, принятыми ранее
при рассмотрении небалансных схем,
из (11) может быть получена формула
для вычисления £е> аналогичная (7).
Отличие составляет лишь формула
для подсчета приведенной разности
показаний прибора
М1=т?ГУ. (12)
Приведенные формулы для
вычисления деформации при измерениях
приборами нулевого метода так же, как и
в предыдущем случае, справедливы,
если отсчет N$ получен при £е = О,
\t — 0 и £с = 0. В противном случае
погрешности, обусловленные этими
допущениями, должны быть оценены,
В тензометрических приборах
нулевого метода измерений с ручным
уравновешиванием наибольшее
распространение получила схема, представленная
на рис. 9.
Эти приборы обычно рассчитаны на
небольшие пределы измерений,
поэтому допустимо пользоваться упрощен-
Рис. 9. Принципиальная схема прибора
нулевого метода измерений с ручным
уравновешиванием:
1 — нуль-индикатор; R и R„ — тензо-
резисторы; Rq — балластные резисторы;
Ry — реохорд для уравновешивания
моста
41 ъ
*п\ U2
\1
Рис. 10. Схема включения тензорезисто-
ров при питании от источника тока:
R^ — тензорезистор; Ru — постоянный
резистор
ной формулой для вычисления
измеряемого выходного сигнала:
6р-Ен = *|(Л|-Ло). (13)
Формула (13) становится точной при
измерении изгибных деформаций, когда
ък= ьр-
При питании тензорезисторов от
источника тока, как ц при питании
от источника напряжения, возникает
необходимость измерения малых
приращений напряжений. Поэтому обычно
последовательно с тензорезистором
включают постоянный резистор,
сопротивление которого с необходимой
точностью должно оставаться
неизменным во времени и при изменении
окружающих условий (рис. 10).
Для такой схемы по разности
напряжений на тензорезисторе и постоянном
резисторе может быть найдено
абсолютное значение сопротивления тензо-
резистора или абсолютное значение
приращения его сопротивления.
Для схемы, показанной на рис. 10,
справедливо соотношение
A/?P = (Ay,-AH0)-£s-, (14)
где Д£/0— разность напряжений на
тензорезисторе и постоянном резисторе
при |е = 0, It = 0 и 6С = 0; Aty —
та же разность, возникающая при
изменении сопротивления тензор езистор а
за счет деформации и температуры.
По аналогии с предыдущим
выражение (14) может быть преобразовано

56 ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
с учетом масштаба т и показаний
прибора:
ДЯР1 = т (Nt - ЛГ0).
Линейность этой схемы относительно
А/?, независимые токовые и
потенциальные цепи, которые допускают
применение бесконтактных
коммутирующих устройств со значительным
собственным сопротивлением, дают ей
большие преимущества при
построении многоточечных измерительных
систем.
Если сопротивление Ru постоянного
резистора известно, то начальное
сопротивление тензорезистора
Яор = Ru + mN0t
а измеренный выходной сигнал тензо-
резистора
Rop Rn + mNo '
Применение многоточечных
быстродействующих систем без обработки
информации на ЭВМ практически
исключается. Поэтому хранение
информации о значении N0 для каждого
тензорезистора и вычисление
выходного сигнала тензорезистора в этом
случае не представляют затруднений.
Затруднения возникают при
измерении деформаций при высоких
температурах или других воздействиях,
приводящих к изменению начального
сопротивления тензорезистора и его
температурной характеристики. В этом
случае необходимо знание значения
этих параметров для получения
поправки на температурную
характеристику, а также знание значения
начального сопротивления тензорезистора для
правильного вычисления выходного
сигнала. Решение этой задачи может
быть выполнено с помощью тензорези-
сторов — свидетелей, находящихся под
воздействием той же температуры и
других влияющих величин, что и
рабочий тензор езистор, но не
воспринимающих измеряемую деформацию. В этом
случае сопротивление тензорезисто-
ров — свидетелей должно изменяться
так же, как и сопротивление рабочих
тензорезисторов. Это сопряжено с
удвоением числа измерительных точек и
соответствующим снижением
быстродействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адаптивные телеизмерительные
системы/Под ред. А. В. Фремке. Л.:
Энергоиздат, Ленинградское отделение,
1981. 246 с.
2. Дайчик М. Л. Тензометрические
приборы и системы//Измерительная
техника, 1984, № 7. С. 42 — 43.
3. ИИС для автоматизации
прочностных испытаний/Г. Г. Евгеньева, Т. И.
Иванова, Ю. Ф. Мотиенко, А. А. Паскевич,
А. С. Шипулин//Приборы и системы
управления, 1985, № 9. С. 22 — 23.
4. Нехендзи Е. Ю. Исключение
влияния линий связи при тензометрировании
объектов в области температур 20 —
550 °С//Заводская лаборатория, 1979, № 4.
С. 369 — 372.
5. Новоселов О. Н., Афонин А. Ф.
Основы теории и расчета информационно-
измерительных систем. М.:
Машиностроение, 1980. 277 с.
6. О классификации ИИС с учетом
задачи агрегатирования/В. А. Антошин,
Д. Л. Зеликсон, Г. П. Лукин, В. Я. Ро-
зенберг, В. Н. Торопов//Метрология, 1980,
№ 6. С. 3-13.
7. Петров Б. Н., Викторов В. А.,
Лункин Б. В., Совлуков А. С. Принцип
инвариантности в измерительной технике.
М.: Наука, 1976. 243 с.
8. Серьезное А. Н. Измерения при
испытании авиационных конструкций на
прочность. М.: Машиностроение, 1976.
222 с.
9. Тензометрия в машиностроении/
Под ред. Р. А. Макарова. М.:
Машиностроение, 1974. 191 с.
10. Тензометрия — 83//Тезисы докладов
Всесоюзной научно-технической
конференции «Методы и средства тензометрии и их
применение в народном хозяйстве»
(Свердловск, 6—9 сетг., 1983 г.). М.: ИМАШ
АН СССР, 1983. 386 с.

Глава
В зависимости от характера
исследуемых процессов деформирования
тензометрические приборы и системы
обычно разбивают на две группы:
приборы и системы,
предназначенные для изучения статических и
квазистатических деформаций;
приборы и системы,
предназначенные для изучения динамических
деформаций.
Для изучения статических и
квазистатических деформаций обычно
применяют многоточечные приборы и
системы, общие принципы построения
которых рассмотрены в гл. 3, а
структурные схемы представлены на
рис. 1, б и в и рис. 3. В зависимости
от объема исследований применяют
аналоговые или цифровые приборы и
системы.
Аналоговые приборы представляют
собой простейшие устройства,
позволяющие определять деформацию по
отсчетам по шкале прибора или
осуществляющие регистрацию
измеряемой деформации (или, точнее,
выходных сигналов тензорезисторов) в
графической форме. Простота приборов
этой группы и наглядность
графической регистрации определяют широкое
их применение и необходимость
существования наряду с цифровыми
системами, обладающими значительно более
высокой точностью измерения и
создающими возможность автоматизации
измерений.
Цифровые приборы, использующие
различные способы преобразования
аналогового выходного сигнала тензо-
резистора в код или число, позволяют
осуществить измерение с высокой
точностью, автоматизировать сбор и
обработку информации, создание
многоточечных измерительных систем. Эту
группу приборов применяют при
исследованиях деформаций объектов,
находящихся в статическом состоянии
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
и при переходных процессах. Для
измерения динамических деформаций,
как правило, применяют
многоканальные системы (см. гл. 3, рис. 1, а),
позволяющие одновременно
регистрировать сигналы многих тензорезисто-
ров. Выпускаемые отечественной
промышленностью для этих целей
приборы, характеристики которых
приведены ниже, позволяют осуществить
преобразование выходных сигналов
тензорезисторов в электрическое
напряжение или ток, соответствующие
нормальным сигналам
Государственной системы приборов (ГСП), что
позволяет создавать на их основе с
применением аналого-цифровых
преобразователей и ЭВМ
информационно-измерительные системы, как показано
на рис. 2 гл. 3.
АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ
СТАТИЧЕСКИХ И
КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
Приборостроительная
промышленность осуществляла выпуск двух типов
приборов этой группы. Измеритель
статических деформаций ИСД-3
представляет собой портативный прибор
нулевого метода измерений. Ручное
уравновешивание моста
осуществляется десятиоборотным реохордом с
градуированной шкалой.
Принципиальная схема прибора приведена на рис. 1.
Автономное питание (от батареи типа
КБС-Л-0,5) обеспечивает высокую
помехоустойчивость и делает прибор
удобным для работы в цеховых
условиях или при монтаже оборудования.
Прибор рассчитан на подключение
тензорезисторов, соединенных в
полумостовые схемы, или групп рабочих
тензорезисторов с общим
компенсационным.

68
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Разъем А
Ш1--Ц
// 20
Разъем К
Рис. 1. Структурная схема прибора ИСД-3:
/ — генератор питания мостовой схемы; 2 — усилитель и фазовый детектор; 3 — нуль-
индикатор; R1 — резисторы контрольного полумоста; R2 — балластные резисторы;
R3 — реохорд: R4 — шунт для подгонки шкалы прибора
Основные технические характеристики щим и регистрирующим прибором.
прибора ИСД-3 Эти приборы выпускают в одноточечном
гтгл^^тт Лопоплоплот,» *ч^™« и многоточечном (до 12 точек) испол-
S млн-1 Р Р Р" -1-5000 нении' Схема многоточечного прибора
Пена деления шкалы Deoxoo- приведена на рис. 2. Одноточечные
да млн"1 20 приборы могут снабжаться электри-
Число точек'измерения \ \ .' До 20 ческим трехпоЗИЦИОННЬ1м с™изи"
Сопротивление применяемых РУЮЩИМ (Регулирующим) устройством.
тензорезисторов, Ом 50—800 Основные технические характеристики
Погрешность шкалы реохор- прибора КСМТ-4
да, млн-1, не более .... ±20
Нестабильность нуля фазо- Предел измерения, млн"1 ±5000 (I)
чувствительного детектора при ±2500 (II)
изменении температуры в пре- '■■' Дена деления шкалы
приделах от—10 до+40°С не бора, млн"1 100(1)
выше, млн"1 ±40 50 (И)
Сопротивление
тензорезисторов, Ом 50—400
Функция преобразования прибора Предел балансировки раз-
ИСД-3 описывается формулой (13) ности сопротивления рабо-
гл. 3. , чего и компенсационного
Мост автоматический КСМТ-4 для тензорезисторов, % . . . . 1
измерения и записи-деформаций яв- Основная приведенная по-
ляется дальнейшим развитием прибо- грешность, %, не более . . 1,0
ров ЭТП-209, созданных на базе мосто- Скорость движения диа-
вых приборов для измерения темпера- граммной ленты, мм/ч . . 20—7200
туры ЭМП-209. Он представляет собой
автоматический мост переменного тока; Примечание. I и II— преде-
КСМТ-4 является щитовым показываю- лы измерений

Цифровые приборы и системы для измерения деформаций
59
. „ . , ^Реберсибный
I Усилитель И Г двигатель
Рис. 2. Мост автоматический КСМТ-4:
Ярх — реохорд компенсационной схемы; RH3 — резистор регулирования предела
измерений; R — постоянные резисторы мостовых схем; R$ — переменные резисторы для
балансировки мостовых схем с тензорезисторами; Яр — рабочий тензорезистор; RK —
компенсационный тензорезистор; / —12 — мостовые схемы с тензорезисторами
Функция преобразования прибора
описывается формулой (!) гл. 3.
Приборы КСМТ-4 целесообразно
применять в сочетании с приборами КСП-4
для измерения температуры.
ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ И
СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
СТАТИЧЕСКИХ И КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ
ДЕФОРМАЦИЙ
Для построения цифровых тензо-
метрических приборов применяют
мосты проводимости с поразрядным
уравновешиванием (принципиальная схема
моста приведена на рис. 8 гл. 3);
небалансные мосты (см. гл. 3, рис. 7)
с_. измерением напряжения небаланса
с помощью нормирующих усилителей
и АЦП или с помощью компенсаторов
на основе индуктивных делителей;
схемы с питанием тензорезисторов от
источника тока с нормирующими
усилителями и АЦП. Значительное
внимание при решении схемных вопросов
уделяется выбору формы питающего
напряжения и построению АЦП для
повышения помехоустойчивости
приборов. Подробно эти вопросы
рассмотрены в ряде работ [4; 5; 6; 7; 12; 15,
с. 164—167, с. 182—183].
Измеритель деформации ИДЦ-1
представляет собой мост проводимости
с автоматическим поразрядным
уравновешиванием. Для снижения
потребления энергии от источника питания
уравновешивающие резисторы
подключаются с помощью малогабаритных
поляризованных реле, а индикаторы
подключаются на короткий
промежуток времени.

60 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Вход
дистанционного"
управления
Интегрирующий АЦП
блок управления
интегратором
Счетчик
блок
индикации
JL
Интегратор
L L J
Синхронный
детектор
Импульсный
усилитель
I j | преобразователь j i i
Входной
Источник
питания моста
_J I
Цифровой
выход
Аналоговый
■" выход
Рис. 3. Структурная схема измерительного блока СИИТ-3
Основные технические характеристики
прибора ИДЦ-1
Предельное значение
относительной разности
сопротивлений рабочего и
компенсационного тензо-
резисторов, млн"1 . . . ±10 000
Цена единицы младшего
разряда, млн"1 .... 20
Время одного
измерения, с 2
Время индикации, с . . 2—5
Сопротивление тензоре-
зисторов, Ом 50—400
Число измерительных
точек 10
Основная погрешность,
млн-1, не более . . . .
Электропитание . . . .
40
8 элементов
типа 373 или
внешний
источник
Функция преобразования прибора
описывается формулой (11) гл. 3.
Прибор не рассчитан на вывод
информации в виде кода для дальнейшей
автоматизированной обработки
результатов измерений.
Тензометрический цифровой мост
типа ЦТМ-5 является дальнейшим
развитием предыдущих моделей:
ЦТМ-2 и ЦТМ-3. Все эти приборы
представляют собой мосты
проводимости с автоматическим поразрядным
уравновешиванием. Результаты
измерений отображаются на цифровом таб-

Цифровые приборы и системы для измерения деформаций
61
0
/ *
•
#Г*
(99)
Блок
дистанционного
релейного
переключателя
Г
1
"*~! '
1
1
1
1
Измеритель
режима
Блок
управления
1 L
1
1
L
i
i
~~1
1 i **
Блок
индикации
Блок
управления
1
_J |
Печатающее
устройство
ЩбвОООК
J
Рис. 4. Структурная схема системы СИИТ-3
ло, выводятся на цифропечать с
использованием машины «Искра-108Д» или
на перфоратор ПЛУ-1. Перфорация
результатов позволяет осуществить
автоматический ввод в ЭВМ для
обработки информации. Прибор
укомплектован блоком коммутации на 100 точек.
Коммутация осуществляется с помощью
герконов.
Основные технические характеристики
прибора ЦТМ-5
Предельное значение
относительной разности
сопротивлений рабочего и
компенсационного тензорези-
сторов, млн"1 ±20 000
Цена единицы младшего
разряда, млн"1 10
Сопротивление тензорези-
сторов, Ом 50—200
Время одного измерения, с 1,2
Функция преобразования прибора
описывается формулой (11) гл. 3.
Система измерительная тензомет-
рическая СИИТ-3 реализует метод
измерения напряжения небаланса моста
с тензорезисторами. Измерительный
блок (рис. 3) преобразует выходной
сигнал тензорезисторов, включенных
в мостовую схему, в электрическое
напряжение, которое затем
усиливается и преобразуется в цифровую форму
методом двухтактного
интегрирования. Меры, принятые в
предварительном аналоговом преобразователе, и
метод двухтактного интегрирования
обеспечивают высокую
помехоустойчивость. Предусмотрена возможность
вывода информации в аналоговой
форме.
Цифровая информация выводится
на цифропечатающее устройство или
с помощью интерфейсной платы И-1
вводится в ЭВМ «Электроника—60»
для обработки. Система содержит
коммутатор на 100 точек измерения при
одном компенсационном тензорези-
сторе или на 50 точек при
полумостовой схеме включения. Предусмотрена
возможность включения полных
мостовых схем. Структурная схема
системы представлена на рис. 4.
В системе СИИТ-3 реализована схема
(рис. 5), обеспечивающая
поддержание напряжения питания моста с
помощью операционных усилителей на
заданном, уровне при изменении (в
определенных пределах) сопротивления
линий и коммутирующих элементов.
Функция преобразования системы
СИИТ-3 описывается формулой (7)
гл. 3. Ниже приведены основные
технические характеристики этой системы.
Рис. 5. Схема питания моста с
тензорезисторами

02 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Объект исследования
1 I 1 г
1 г
? V
Г V
блоки дистанционного релейного переключателя
J I , I I . I I . I L
сл
Комплект № 1
л
MTTTTfJIf
Групповой
коммутатор
ЭВМ
I 1
Л
Измерительный
блок
ЛМАК^
Рис. 6. Структурная схема системы СИИТ-2
V ¥
Комплект №2
ЭВМ
, Электроника -60
Основные технические характеристики
системы СИИТ-3
Номинальная цена единицы
младшего разряда (при одном
рабочем тензорезисторе), млн"1 4
Предел шкалы прибора,
единиц младшего разряда . . . ±9999
Сопротивление тензорези-
сторов, Ом 100—400
Быстродействие системы,
изм/с 20
Помехоустойчивость системы
относительно помехи с
частотой 50 Гц:
последовательного вида,
дБ 60
параллельного вида, дБ 80
Среднее квадратическое
значение случайной
составляющей погрешности, млн-1 . . 6
Напряжение питания
измерительных схем, В 4,5
Предел допустимого значения
систематической составляющей
погрешности (%) в нормальных условиях
дсд=[о,1+о,оз(-^—i)],
где N — значение верхнего предела
шкалы системы; Л^ — текущее
значение результата наблюдений.
Предел систематической
составляющей погрешности определения
выходного сигнала тензорезисторов по
результатам двух наблюдений
А»/» =
N _дг (Дсд,#2 + АсД1#1),
где АСД1 и АСД2 — систематические
составляющие соответственно первого
и второго наблюдения;
Система СИИТ-2 является
дальнейшим развитием системы СИИТ-3.
Структурная схема системы
представлена на рис. 6. Основными отличиями
СИИТ-2 от СИИТ-3 являются: 1)
увеличение числа блоков дистанционных
релейных переключателей до 10; 2)
введение режима повышенного
быстродействия до 200 изм/с.
Для этого режима цена единицы
младшего разряда — 10 млн~1;
коэффициент подавления помехи
последовательного вида промышленной
частоты 50 Гц составляет 40 дБ. Предел
допустимого значения систематической
составляющей погрешности (%)
Дед =[0,3 + 0,03(^—1)];

Цифровые приборы и системы для измерения деформаций
63
Устройство
коммутации
а
Устройство
управления
и вывода
информации
Информация
№ канала
№ канала
управляющие
сигналы
11-ти разрядный АЦП
последовательного
приближения
Рис. 7. Структурная схема системы К-732
3) в комплектацию вводится блок
интерфейсной латы И-2 для
сопряжения с крейтом КАМА К (комплект № 1)
или микроЭВМ «Электроника—60»
(комплект № 2).
Система К-732 представляет собой
мост с автоматической балансировкой,
обладающий высоким быстродействием,
коммутаторы для многоточечных
измерений и соответствующие блоки
управления. Система рассчитана на
функционирование только в комплексе с ЭВМ.
Структурная схема системы
представлена на рис. 7. Т
Систему К-732 выпускают как
устройство для измерения сопротивления
тензорезисторов, поэтому ее
паспортные характеристики отличаются от
характеристик ранее рассмотренных
приборов. Эта система позволяет
получать отсчеты, пропорциональные
абсолютным отклонениям сопротивлений
тензорезисторов от некоторого
принятого значения сопротивления.
Процедура вычисления выходных
сигналов тензорезисторов при обработке
информации в этом случае осложнена,
как показано в гл. 3.
Основные технические характеристики
системы К-732
Номинальные значения
сопротивления
тензорезисторов, Ом 100, 120,
200, 400
Возможные схемы
включения тензорезисторов:
а) «1/4 моста» с одним
рабочим тензорезистором
при двухпроводном
включении
б) «1/4 моста» с одним
рабочим тензорезистором
при трехпроводном
включении
в) «1/2 моста» с общим
компенсационным
тензорезистором при
трехпроводном включении
каждого тензорезистора
г) «1/2 моста» с двумя
рабочими тензорезистора-
ми при трехпроводном
включении каждого
тензорезистора
Длина соединительных
линий от тензорезисторов до
системы, м 50
Наибольшее число
измерительных точек:
при включении
тензорезисторов по схемам а—в 127
при включении по
схеме г 63
Время получения отсчета,
включая время на
коммутацию измерительных
точек, мс 10
Напряжение питания
тензорезисторов разнополяр-
ными прямоугольными
импульсами частотой 2,5 кГц,
амплитудой, В 4,5
Диапазон измерения
сопротивления
тензорезистора (при одном рабочем
тензорезисторе) при #Ном»
Ом:
100 97,5—
102,5
120 115,87—
123
200 195—205
400 390—410
Систематическая
составляющая погрешности
определения значения
сопротивления тензорезистора по
схеме б, %, не более. . 0,1
СКО случайной
составляющей погрешности,
единиц младшего разряда кода
отсчета, не более. .... 1,2
Функция преобразования системы
выражается формулой
*г=1/Ыг+сл')'
где Rt — сопротивление тензор ези-

64 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
стора; R3 — наибольшее значение
сопротивления в регулируемом плече
моста; С — единица дискретности в
регулируемом плече моста; N —
значение отсчета моста. Значения R3
и С приводятся в паспорте прибора.
Система К-742 —
многофункциональная, предназначена для сбора и
преобразования информации от
генераторных и параметрических
датчиков, в том числе тензорезисторов.
Структурная схема системы
представлена на рис. 8. Это наиболее
быстродействующая из выпускаемых
отечественных систем, где осуществляется
питание схемы с тензорезисторами от
источника тока (см. рис. 10, гл. 3),
что позволило применить электронные
ключи в цепях коммутации,
необходимые для обеспечения высокого
быстродействия. Возможность измерения
деформации тензорезисторами и
температуры термопарами и термометрами
сопротивления имеет существенное
значение для использования системы в выг
сокотемпературной и криогенной
тензометрии. Система К-742 рассчитана
на непосредственный ввод
информации в ЭВМ, а также на управление
коммутаторами и программным
нормирующим преобразователем от
контроллера и ЭВМ.
Основные технические характеристики
системы К-742
Номинальные значения
сопротивления тензорезисто
ров, Ом 100; 120;
200; 400
Число точек измерения . . . 1008
Длина соединительных
линий, не более, м:
от датчиков до входного
коммутатора 50
от входного коммутатора
до стойки измерителя ... 50
от измерителя до ЭВМ. . 20
Время получения показаний
одного датчика, включая
время коммутации, мс 1
Предел допустимого значения
погрешности (%) измерения
относительного
сопротивления тензорезисторов при
номинальном сопротивлении:
50 Ом ±1
100, 120 и 200 Ом ... . ±0,5
$ 11 291
i 1
V 1
|L
до/Lh
1 Первичные Г
1 преобразователи
§
"| Входные Г
коммутаторы
\
•А Контроллер у
Г
!
JI 1
1 L
If 1
Программируемый.
нормирующий
преобразователь
t
Цифровой 1
нормирующий
преобразователь
Рис. 8. Структурная схема системы К-742
Предел допустимого
значения погрешности
измерения сигнала с выхода
термопар, % от выбранного
диапазона измерений ±0,5
Функция преобразования
Яд = Ra + K?N,
где Ra — сопротивление тензорезисто-
ра; Ra — номинальное сопротивление
тензорезистора в выбранном
диапазоне; Яр — коэффициент (см. табл. 1);
N — отсчет в делениях прибора.
Функция преобразования
напряжения термоэлектрического датчика
определяется формулой
Un = KuN,
где (Уд — выходное напряжение
термопары; Ки — коэффициент (см.
табл. 1); N — отсчет в делениях
прибора.
Измерительная система ТК-80
предназначена для высокотемпературной
и криогенной тензометрии [9]. Она
содержит цифровой тензометрический
компенсатор ТК, блок управления и
10 коммутаторов тензорезисторов и
термопар на 100 точек каждый. Для
измерения температуры предусмотрено

Цифровые приборы и системы для измерения деформаций 65
1. Масштабные коэффициенты
пропорциональности для системы
К-742
Диапазон
измерения выходного
сигнала датчика,
абсолютное значение
0—20 мВ
0—50 мВ
0—100 мВ
±1000 мВ
49—51 Ом
48—52 Ом
98—102 Ом
96—104 Ом
196—204 Ом
192—208 Ом
*р.
дел/Ом
5120
2560
3840
1920
1280
640
Ки*
дел/В
256
128
64
8
прибора и его нулевой отсчет
практически независящими от температуры
и времени. Пятипроводная схема
соединения, обеспечивающая прямую
зависимость компенсационного
напряжения от фактического напряжения
питания на тензорезисторах,
устраняет мультипликативную погрешность,
обусловленную падением напряжения
на соединительных линиях и
контактах коммутаторов.
Выход прибора рассчитан на
подключение перфоратора ПЛ-150 П для
промежуточного хранения информации
или прямой ввод в ЭВМ для
дальнейшей ее обработки. Коммутаторы
системы выполнены в виде отдельных
блоков и могут быть установлены в
непосредственной близости от объекта
исследования.
включение стандартного цифрового
вольтметра. Тензометр ический
компенсатор ТК, схема которого
представлена на рис. 9, содержит в качестве
делителя компенсационного
напряжения управляемый индуктивный
делитель. Существенным является
отсутствие активных элементов между
тензометр ическим мостом и компенсатором
напряжения небаланса. В сочетании
с принципиальной стабильностью
индуктивного делителя это делает шкалу
гАт-ч
Основные технические характеристики
системы ТК-80
Диапазон измеряемых
выходных сигналов тензорезисто-
ров, не менее, млн"1 . .' . 100 000
Цена единицы дискретности,
млн"1 10
Быстродействие, изм/с ... 25
Сопротивление
подключаемых тензорезисторов, Ом . . 50—400
Максимальное число точек
измерений 1000
\Генератор\
питания
\мосто6ой
схемы
Индуктибньш
делите/it
Блок управления
индуктивным
делителем
Выход
кода
Нуль-орган
Входной усилитель
разностного напряжения
Рис. 9. Структурная схема тензометрического компенсатора ТК
3 Дайчик М. Л. и др.

66 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Предел допустимой
систематической составляющей
погрешности, % от
измеряемого значения выходного
сигнала тензорезистора .... 0,05
Среднее квадратическое
значение случайной
составляющей погрешности, мли"** 10
Питание моста напряжением
синусоидальной формы при
частоте 1 кГц, В 2
Функция преобразования тензомет-
рического компенсатора описывается
формулой (7) гл. 3..
Для поверки аналоговых и
цифровых тензометрических приборов
выпускают имитатор выходных сигналов
ИСТ-1, который представляет собой
пассивный четырехполюсник,
выполненный по схеме симметричного
делителя напряжения. Он является
эквивалентом тензометрического моста или
полумоста с двумя одновременно
изменяющимися сопротивлениями на
равные по абсолютной величине и
противоположные по знаку приращения.
Предел допустимой основной
погрешности задаваемых отношений не
превышает 0,02 %. Пределы шкалы
задаваемых выходных сигналов для
полумостовых схем: 19 998 млн-1, 4999,5 млн"*
и 1999,8 млн"1. Предусматривается
возможность дистанционного
управления имитатором от ЭВМ.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТА-
ТОДИНАМИЧЕСКИХ И
ДИНАМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
Для измерения статодинамических
деформаций применяют аппаратуру с
питанием мостовых схем постоянным
или переменным током. При питании
мостовых схем постоянным током
возникают затруднения с обеспечением
помехозащищенности, так как
промышленная частота и ряд ее гармоник
попадают в рабочую область частот.
Кроме того, в этом случае может
возникать дополнительная
погрешность от влияния термоЭДС и
контактной разности потенциалов. Поэтому
для измерения деформаций в диапазоне
частот 0—10 кГц применяют так
называемую аппаратуру на несущей частоте,
в которой питание мостовых схем
осуществляется синусоидальным
напряжением или импульсным напряжением
различной формы. В такой аппаратуре
выбором несущей частоты и
обеспечением фильтрации можно получить
высокую помехозащищенность от помех
промышленной частоты.
Тензометрическая аппаратура
4АНЧ-22 и 8АНЧ-23 имеет аналогично
построенные четыре и восемь
измерительных каналов [13]. Схема
измерительного канала аппаратуры 8АНЧ-23
приведена на рис. 10. Вход
измерительного канала рассчитан на
включение тензор езисторов (полумостовые
схемы), тензор езисторных датчиков
механических величин (мостовые
схемы), а также индуктивных
датчиков. Предусмотрена возможность
включения полумостовых схем с тензорези-
сторами при параллельном питании.
Возможность варьировать
напряжением питания (2 и 6 В) обеспечивает
применение тензор езисторов с
широким диапазоном номинальных
сопротивлений. Для возможности
регистрации малых динамических деформаций
на уровне больших статических в схеме
усилителя несущей частоты после
фильтра включено устройство
выделения динамической составляющей.
Аппаратура предусматривает
использование двух значений несущей
частоты (8 и 20 кГц) для регистрации
деформаций в диапазоне рабочих частот до
1,5 и 5 кГц соответственно. Выход
аппаратуры рассчитан на подключение
магнитных регистраторов,
аналого-цифровых преобразователей и светолуче-
вых осциллографов.
Основные технические характеристики
аппаратуры 8АНЧ-—23
Сопротивление тензорези-
сторов, Ом 25—800
Пределы измерений при
напряжении питания 6 В и
одном активном тензорези-
сторе:
основные, млн*"1 . . . . ±(1000—
100 000)
дополнительные, млн"* ±(100—
500)

Измерение статодинамических и динамических деформаций
67
HZ>4Z>4ZH
Рис. 10. Структурная схема канала аппаратуры 8АНЧ-23:
/ — измерительный мост; 2 — блок балансировки активной составляющей; 3 — блок
балансировки реактивной составляющей; 4 — усилитель мощности: 5 — задающий
генератор; 6 —устройство контроля чувствительности; 7 — аттенюатор; 8 —
преобразователь синусоидального напряжения; 9 — усилитель; 10 — демодулятор; // — фильтр;
12 — устройство выделения динамической составляющей; 13 — усилитель постоянного
тока
Диапазон регистрируемых
частот (при
неравномерности не более 5 %),' Гц . .
0—1500;
3—1500;
0—5000;
3—5000
150
0,5
1,5
Ослабление помехи общего
вида на частоте 50 Гц, дБ,
не менее
Основная погрешность, %,
не более
Дрейф нуля, мкВ/°С. . .
Тензометрическая аппаратура УГ-65,
структурная схема которой приведена
на рис. 11, также представляет собой
восьмиканальное устройство [1; 14,
с. 23—24]; несущая частота 5 кГц.
В целях повышения технологичности
измерительные каналы и генератор
выполнены без применения
трансформаторов. Приняты меры повышенной
стабилизации амплитуды генератора и
коэффициентов преобразования в
измерительных трактах, за счет чего
получено уменьшение погрешности.
Балансировка активной и реактивной
составляющих осуществляется
введением компенсирующего напряжения
на вход усилителя. Выход аппаратуры
рассчитан на подключение
магнитографов, аналого-цифровых
преобразователей и светолучевых
осциллографов. Предусмотрена возможность
одновременной работы нескольких
комплектов с питанием от одного генератора
несущей частоты.
Основные технические характеристики
аппаратуры УТ-8
Сопротивление тензорези-
сторов, Ом 25—1400
Пределы измерений при
одном рабочем тензорезисторе,
тилн"1 ±(Ю0—
100 000)
Диапазон регистрируемых
частот (при неравномерности
не более 3 %), Гц 0—1000
Систематическая
составляющая погрешности, % . . . 0,1
♦
1 Задающий
генератор
Стабилизатор
амплитуды
П
J
\
t
{Усилитель
мощности
\ Мостовая схема с
X тензорезисторами
Дифференциальный
усилитель
iL
блок 1
компенсации
Усилитель
1
Фазочцвствительный |
детектор
Фильтр
низких
частот \
Рис. 11
3*
Структурная схема аппаратуры УТ-8

68
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Температурный дрейф на
1°С, %:
коэффициента передачи . . 0,01
нулевого уровня .... 0,0005
Временной дрейф за 8 ч, %:
коэффициента передачи . . 0,05
нулевого уровня .... 0,005
Для измерения высокочастотных
динамических деформаций, как
указывалось, применяется аппаратура, в
которой питание тензорезисторов
осуществляется постоянным током [15,
с. 186—187]. Наряду с этим для
повышения помехозащищенности
разработаны приборы для регистрации
динамических деформаций в ограниченном
диапазоне частот (0,3—1000 Гц) с
питанием мостовых схем синусоидальным
напряжением [2].
В ряде случаев, например в
телеметрии, целесообразно применение
преобразования выходных сигналов
тензорезисторов в изменение частоты (см.,
например, [11]).
Развитие быстродействующих АЦП
позволяет на их основе создавать
многоканальные системы для
исследования динамических деформаций [3].
Это сравнительно громоздкое и
дорогое решение будет развиваться по мере
совершенствования и повышения
чувствительности быстродействующих
АЦП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антоненко В. К., Борткевич В. И.
Тензометрическая аппаратура для
регистрации статических и динамических де-
формаций//Исследование напряжений в
конструкциях. М.: Наука, 1980. С. 17 — 21.
2. Антоненко В. К., Дайчик М. Л.,
Смоленский В. Г. Многоканальная поме-
хозащищенная аппаратура для измерения
малых динамических деформаций//Экспе-
риментальные методы исследования
напряжений в конструкциях/Под ред.
Н. И. Пригоровского. М.: Наука, 1977.
С. 18-22.
3. Арнольд Э. Э., Добрынин С. А.,
Многоканальный измерительный
информационный комплекс//Методы решения
задач машиноведения на вычислительных
машинах. М.: Наука, 1979. С. 43—47.
4. Артамонов В. В., Асеев А. А.,
Баранов В. П. Повышение точности
интегрирующих АЦП для тензорезисторных
датчиков//Приборы и системы
управления, 1985, № 9. С. 28.
5. Беклемищев А. И., Дубов Б. С,
Клокова Н. П. Кедров В. В. Тензометр и-
ческие системы для экспериментальных
исследований//Измерительная техника,
1979, № 11. С. 48—49.
6. Беклемищев А. И. Измерительные
системы для исследования прочности
конструкции/Измерительная техника. 1979.
№ 12. С. 33-36.
7. Беклемищев А. И., Судаков В. А.
Устройство для автоматизации
исследований метрологических характеристик си-
стемы//Тр. ЦАГИ. Вып. № 2105, 1981.
С. 71-76.
8. Измерительная информационная
система/В. С. Волобуев, В. П. Минаков,
Г. В. Аполлонова и др.//Измерительная
техника. 1979. № 11. С. 56 — 58.
9. Измерительная система для
высокотемпературной тензометрии/А. И.
Бусыгин, И. Б. Глейзер, М. Л. Дайчик,
B. П. Силаев, А. Р. Цугба//Эксперимен-
тальные методы исследования деформаций
и напряжений/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Наука, 1977. С. 3 — 7.
10. Многоканальное тензометрическое
устройство Ф017/Б. М. Гамарник, Л. Г. До-
донова, А. Ю. Жемецкис и др.//Приборы
и системы управления. 1980. № 6.
C. 31-32.
11. Парфенов М. М., Цывин А. А.,
Кузнецов Л. М. Тензорезисторные
измерительные системы//Приборы и системы
управления. 1985. № 9. С. 17 — 21.
12. Серьезное А. Н. Измерения при
испытании авиационных конструкций на
прочность. М.: Машиностроение, 1976.
222 с.
13. Тензометрическая аппаратура
8АНЧ-23/Ш. А. Галиаскаров, Б. И.
Дмитриев, М. А. Носкова и др.//Приборы
и системы управления. 1985. № 9.
С. 25 — 26.
14. Тензометрические устройства для
статодинамических и динамических
процессов/В. И. Борткевич, Ю. Н. Голофеев-
ский, Р. М. Фельдберг, М. Л. Дайчик,
Ю. С. Плискин//Приборы и системы
управления. 1985. № 9. С. 23 — 24.
15. Тензометрия — 83//Тезисы докладов
Всесоюзной научно-технической
конференции «Методы и средства тензометрии и их
использование в народном хозяйстве»
(Свердловск, 6 — 9 сент. 1983 г.) М.:
ИМАШ АН СССР, 1983. 386 с.

Глава
Применение
информационно-измерительных систем при проведении
тензометр ирования позволяет проводить
первичную обработку информации
практически в реальном масштабе
времени. Эта обработка должна
обеспечить:
контроль функционирования системы
измерений;
статистическую обработку
информации, получаемой от измерительных
приборов в целях исключения грубых
промахов и повышения точности;
вычисление необходимых
экспериментатору данных о
напряженно-деформированном оостоянии в исследуемых
точках объекта;
вычисление значений измеряемых
параметров, характеризующих режим
работы исследуемого объекта;
схематизацию случайных процессов
нагружения для оценки ресурса ис-
^едуемых машин;
корреляционный и спектральный
анализ для исследования
динамических характеристик объекта
исследования;
оценку погрешности измерений.
Тензометрирование обеспечивает
измерение деформации и вычисление
напряжений в отдельных точках
исследуемого объекта. Вместе с тем в ряде
случаев бывает необходимо
восстановление на базе результатов тензометрии
всего поля деформаций и напряжений
или его части в местах, недоступных
для установки тензор езисторов.
Обработка совокупности данных в
различных точках поверхности или их
изменения во времени различными
методами аппроксимации позволяют
снижать погрешность получаемой
экспериментально информации. Кроме того,
установка тензор езисторов и различ:
ного типа защитных устройств на
исследуемую деталь может вызвать
местное изменение температурного поля и
напряженно-деформированного состоя-
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА
И ПЕРВИЧНОЙ
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
ния. Совокупность этих трех
вопросов является предметом завершающей
обработки результатов тензометр иче-
ских исследований объекта.* Они
рассмотрены в гл. 6 и ряде работ [14;
15; 16; 17, с. 216—235].
ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ
ИНФОРМАЦИИ ПРИ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Существенной особенностью
высокотемпературной тензометрии, как было
показано в гл. 2 и 3, является влияние
температуры на метрологические
характеристики тензор езисторов и
сопротивление соединительных линий.
Кроме того, при изменении температуры
изменяются физико-механические
характеристики материалов, из которых
изготовлены исследуемые детали. Это
значительно усложняет обработку
результатов измерений.
В общем случае для определения
главных напряжений и их направлений
при плоском напряженном состоянии
устанавливают розетку из трех
рабочих и трех компенсационных тензо-
резисторов. При вычислении
напряжений в упругой области, кроме трех
показаний тензометрического прибора
АЛ^, AN2, АЛ^з, должны быть учтены
чувствительность тензорезисторов /С;
значения функции влияния
температуры на чувствительность для каждого
тензорезистора Ф^ , Ф^ , Ф^ ; значения
температурных характеристик
сопротивления рабочих и компенсационных
тензорезисторов g,pl, £,р2, £,р3, Б*к1,
^к2, £/к3; значения сопротивления
соединительных линий (не охваченных
схемами исключения их влияния)
гл, (0> гл% (t), гЛз (0; значение модуля
упругости Е (t) и коэффициента
Пуассона (!(/):

70 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
ф*2, ф*з» 6*р1, £*р2, £<р3» £*к1>
£*к2> 5tK3» rni(t)t гЛ2(0, /л8(0.
Число переменных соответственно
сокращается при известных
направлениях главных напряжений и при
одноосном напряженном состоянии.
Зависимость значений
метрологических характеристик от температуры
по ГОСТ 21616—76 представляется
полиномами.
Функции влияния температуры на
чувствительность Ф^ для всех
установленных тензорезисторов определяются
коэффициентами полинома,
полученными при испытании выборки из
партии тензорезисторов. Значение этой
функции для каждого тензор езистор а
вычисляют по температуре объекта
в измерительных точках.
Для температурных характеристик
сопротивления тензорезисторов
возможны два случая. Первый —
применяют тензор езисторы, не имеющие
индивидуальных температурных
характеристик. В этом случае используют
коэффициенты полинома средней
характеристики. Если исследуемая
конструкция состоит из различных
материалов, то коэффициенты полинома
температурной характеристики
должны быть оценены для каждого
материала. Следует иметь в виду, что для
металлов одной и той же марки
возможны существенные изменения ТКЛР
от плавки к плавке и в зависимости от
термической обработки. Поэтому
определять значения коэффициентов
полинома для температурной
характеристики следует на образцах из той же
плавки металла, из которой
изготовлен объект исследований. При
измерениях на переходных режимах
температура рабочего тензорезистора
может отличаться от температуры
компенсационного. Поэтому значения их
температурных характеристик следует
вычислять раздельно. Для розетки
тензорезисторов в ряде случаев может
быть принята одинаковой температура
для всех трех рабочих и трех
компенсационных тензорезисторов. Но
возможность такого решения должна быть
тщательно проверена.
Во втором случае, когда применяют
тензорёзисторы с индивидуальными
температурными характеристиками, их
значения следует вычислять по
коэффициентам полиномов средних
характеристик с поправкой на
индивидуальное значение коэффициента полинома
при температуре в первой степени
(см. гл. 2). В этом случае в память
ЭВМ, кроме коэффициентов полинома
средних характеристик, должны быть
введены индивидуальные поправки,
число которых равно числу
применяемых тензорезисторов. Все
предосторожности, относящиеся к учету рассеяния
значений температурных
коэффициентов расширения металлов,
изложенные для первого случая, сохраняются
и в этом случае.
Значительные трудности возникают
при определении сопротивления
соединительных линий. Паспортные данные
дают возможность установить
погонное сопротивление гЛо применяемых
проводов и температурный
коэффициент сопротивления р. Температура
соединительных проводов неоднородна
и может изменяться по длине в
широких пределах. В зависимости от
характера 'объекта исследований
экспериментатор должен выбирать
конкретный способ определения температуры
соединительных линий. В качестве
одного из вариантов может быть
рекомендовано разбиение всей длины
соединительных линий на три участка:
первый длиной 1г — в горячей зоне;
третий длиной /3 — в зоне клеммных
устройств или коммутаторов, и второй
длиной /2 — промежуточный, между
первым и третьим. Температуру
первого участка принимают равной
температуре рабочего тензорезистора *р.
Температуру третьего участка
принимают равной температуре помещения,
в котором установлены клеммники или
коммутаторы, — tu. Эту температуру
обычно измеряют для определения
поправки на температуру холодного
спая термопар и вводят в ЭВМ для
вычисления температуры в точках
установки тензорезисторов. Для
второго участка принимают среднюю
температуру, равную полусумме темпе-

Обработка информации при высокотемпературной тензометрии 71
ратуры первого и третьего участков.
При таком варианте сопротивление
соединительной линии в зависимости
от температуры определяется
соотношением
Гл(0='<Л(1+Р'р) +
/ л *р + tn \
+ 'оЦ1+Р-^— ) +
+ /-оМ1+Р'п).
Это соотношение должно
видоизменяться в зависимости от условий
прокладки соединительных линий.
Если измерения проводят в широком
диапазоне температур, то при
вычислении напряжений необходимо
учитывать изменения модуля упругости и
коэффициента Пуассона. На рис. 1
показано относительное изменение
модуля упругости и коэффициента
Пуассона для некоторых сплавов. Для ввода
в ЭВМ эти зависимости удобно
представить полиномами второй степени.
Например, для" материалов,
представленных на рис. 1, функции Е (t) и\х (t)
могут быть записаны полиномами:
для стали 25Х2МФА
Е (t)= 217 040 — 38,4 t—
— 7,38-Ю-2/2;
\i(t) = 0,286+ 0,406-10-4 +
+ 0,524-10"7/2;
для стали 12Х18Н9Т
Е (t) = 203 700 — 50/ — 3,84-10""2/2;
для алюминиевого сплава Д16
Е (t) = 70 270 — 56,5/ — 0,13/2;
для титанового сплава ВТ9
Е (t) = 116 090 — 25,5( — 5,4-10"2/2.
Примечание. Коэффициенты
полиномов получены аппроксимацией
данных, приведенных в [12, с. 228—
233].
В многочисленных информационно-
измерительных системах
высокотемпературной тензометрии для измерения
температуры с помощью термопар или
термометров сопротивления применяют
АЦП или универсальные цифровые
вольтметры. При этом необходимо
учесть нелинейность характеристик
термопар и термометров сопротивле-
1Ш MU
Е(20)' м(20)
—■
^
1
/>,
"^^ 300 WO 500t,°C
N
N
\
\
^
'!
^>
S)
ч.
2^S
1 !
|
1
Рис. 1. Относительное изменение модуля
упругости Е и коэффициента Пуассона
для некоторых сплавов:
/ ^Шг Для сплава 25Х2МФА; 2, 3,
Е (t)
4, 5 * ,■ ' для сплавов 25Х2МФА,
12Х18Н9Т, ВТ9 и Д16 соответственно
ния и необходимость компенсации
ЭДС холодного спая в случае
применения термопар.
Нелинейность характеристик
термопар проще всего и надежнее
учитывать программными средствами при
обработке информации. Для этого
зависимость t= f (е) (где t —
измеряемая температура; е — термоЭДС)
аппроксимируется степенным полиномом.
Для наиболее распространенных
термопар хромель-копель и хромель-
алюмель аппроксимация табличных
данных (ГОСТ 3044—84, табл. 7) дает
следующие полиномы:
для термопары хромель-копель
/= 14,566е — 6,0316- Ю-%2;
для термопары хромель-алюмель
/ == 24,838^ — 2,8919- 10~V,
где / — температура, °С; е —
термоЭДС, мВ.
Обычно при тензометрировании
объектов применяют термопары,
изготовленные при подготовке эксперимента,
из термоэлектродных проводов. При
этом следует иметь в виду, что таблич-

72 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
ные данные относятся к средним
значениям термоЭДС. ГОСТ 3044—84
допускает значительные отклонения ЭДС
от средних значений, например,
погрешность измерения температуры
300 °С хромель-алюмелевой
термопарой может достигать 4 °С. Поэтому при
необходимости более точного
измерения температуры применяемые
термопары должны быть дополнительно
проградуированы.
Термоэлектродные (или
компенсационные) провода обычно доводят до
клеммных коробок или коммутаторов,
в которых осуществляется переход на
медные соединительные провода. В
местах перехода к медным проводам
должны быть установлены датчики для
измерения температуры холодного
спая. В тензометр ических системах
наиболее удобно использовать датчики
из медной проволоки, которые
включаются в мостовые (или полумостовые)
схемы и подключаются через
коммутаторы к тензометрическому прибору.
Незначительные пределы изменения
температуры холодных спаев
позволяют аппроксимировать зависимость
температуры от изменения
сопротивления датчиков из медной проволоки
полиномом первой степени.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
МНОГОТОЧЕЧНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ
СТАТИЧЕСКОГО И
КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЯ
Тензометрирование натурных
объектов, работающих в условиях высоких
температур, как правило, проводится
на стадии пусконаладочных работ и
в первый период эксплуатации.
Системы тензометрии не являются
штатным оборудованием, поэтому при
создании программного обеспечения
необходимо считаться со следующими
особенностями:
исследуемый объект может состоять
из нескольких типов материалов,
обладающих различными
физико-механическими характеристиками,
изменяющимися, как указывалось выше,
при изменении температуры;
число точек измерения и их
конфигурация (тип розетки, число термопар
или термометров сопротивления) для
каждого объекта определяются рядом
факторов и могут изменяться в
широких пределах;
тип применяемых первичных
преобразователей экспериментатор выбирает
в зависимости от задач и условий
эксперимента, а следовательно,
необходимо иметь возможность вводить
значения параметров их
метрологических характеристик для обработки
информации;
натурную тензометрию часто
проводят в условиях больших
электрических и магнитных помех. Поэтому,
кроме статистической обработки
информации в целях исключения
грубых ошибок, необходимо обеспечить
контроль правильности
функционирования системы как перед началом
эксперимента, так и в ходе его
осуществления;
условия натурного эксперимента
не могут исключить внезапного
отключения электропитания, поэтому
должна быть обеспечена регистрация
измерительной информации на
устройство долговременной памяти —
магнитные диски или ленты;
измерение деформаций должно
сопровождаться регистрацией ряда
сопутствующих параметров. Часть из
них может быть зарегистрирована
системой автоматически, а часть
должна быть введена оператором
вручную. Протоколирование испытаний
должно быть обеспечено системой.
Программному обеспечению
научных исследований, в том числе тензо-
метрических измерений, посвящен ряд
работ [1; 18, с. 169—170]. На основе
обобщения опыта проведения
тензометр ических измерений
энергетического оборудования Институтом
машиноведения АН СССР [2; 3; 18,
с. 239—241] разработана система
программного обеспечения
высокотемпературной и криогенной тензометрии
(СПО «Натура»), которая утверждена
в качестве Методических
рекомендаций МР-246— 87. Эта система может
быть применена и при тензометрирова-
нии в климатическом диапазоне
температур. При этом она, естественно,
будет обладать некоторыми
избыточными возможностями, которые не
помешают ее функционированию.

Программное обеспечение многоточечных систем
73
При описании программного
обеспечения принят ряд терминов,
определения которых приведены ниже.
Измерительная точка —
совокупность тензорезисторов и термопар,
установленных на ограниченной
поверхности исследуемого объекта,
деформированное состояние которой
практически однородно.
Ступень нагружения или нагрева —
квазистатическое состояние объекта
испытаний в выбранный момент
времени. Напряженно-деформированное
состояние объекта в этот момент
считается неизменным и определяется
значениями таких физических величин,
как давление, температура
теплоносителя и т. п. На ступени считываются
показания всех приборов, которые
образуют массив показаний.
Режим испытаний — совокупность
определенной последовательности
ступеней, заданных программой
испытаний. В пределах одного режима
номера ступеней представляют собой
числа натурального ряда.
Эксперимент — совокупность
режимов (данные по всей программе
испытаний объекта). В пределах
эксперимента номера режимов
представляют собой числа натурального
ряда.
Термины «ступень», «режим»,
«эксперимент» поясняются рис. 2 на
примере испытаний энергетического
агрегата.
Номер нулевой ступени — номер
ступени, показания приборов на
которой принимают за начальные
отсчеты при определении выходных
сигналов тензорезисторов.
Номер очередной ступени — номер
ступени, показания приборов на
которой принимают за текущие отсчеты
при определении выходных сигналов
тензорезисторов.
Номер нулевого режима — номер
режима, содержащий нулевую
ступень.
Номер очередного режима —
номер режима, содержащий очередную
ступень.
Массив исходных данных — массив,
содержащий характеристики
эксперимента (символьные константы,
числовые константы, коэффициенты для
вычисления полиномов и т. п.).
Рис. 2. Пример программы испытаний:
1, 2, 3, 4 п — ступени; 1 — 7 — /
режим; 8 — 12 — II режим; 1 — п —
полный эксперимент
Дескриптор — описатель набора
данных.
Вводимый параметр — символьная
константа, определяющая текущее
состояние объекта исследования,
которую вводит оператор перед опросом
измерительных приборов на очередной
ступени.
Измеряемый параметр — величина,
характеризующая текущее состояние
объекта исследования, получаемая с
помощью измерительного прибора.
Дополнительная термопара (или
измеритель температуры другого
типа) — первичный преобразователь
температуры, не входящий в
измерительные точки. Температура,
вычисленная по показаниям
термометрического прибора для этого
преобразователя, может уточнить или дополнить
представление о тепловых полях
исследуемого объекта или
рассматриваться как значение измеряемого
параметра.
Резервная термопара (или
измеритель температуры другого типа) —
первичный преобразователь,
принадлежащий какой-либо измерительной
точке. Показания термометрического
прибора для этого преобразователя
могут быть использованы в расчетах

74 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
по тем измерительным точкам, в
которых вышли из строя термопары.
Резервную термопару выбирают из
априорных и экспериментальных данных
о тепловых полях исследуемого
объекта.
Тензорезистор — свидетель — тен-
зорезистор, установленный на
объекте испытаний так, что на него
влияют все величины, воздействующие
на рабочий тензорезистор, но не
влияет измеряемая деформация.
Предназначен для оценки воздействия
влияющих величин в реальных условиях.
Исключенное показание —
показание прибора, исключаемое из
обработки по решению оператора. Исключение
делают для неисправных или
неподключенных первичных
преобразователей.
Формализация описания
эксперимента. Экспериментальные исследования
конструкций могут быть существенно
различными по условиям проведения.
Вместе с тем задачи сбора и первичной
обработки информации типичны —
это опрос первичных преобразователей
и вычисление значений деформации,
напряжения и температуры в
измерительных точках. При этом число
расчетных соотношений невелико, так
как процедура сбора и первичной
обработки информации достаточно
универсальна и, следовательно, система
программного обеспечения может быть
применима для широкого круга
исследований при выполнении
определенных условий. Для учета особенностей,
отличающих один эксперимент от
другого, необходимо обеспечить
возможность адаптации системы программ
сбора и обработки информации к
условиям конкретного эксперимента.
Существо адаптации состоит в
следующем. Все исходные данные,
однозначно характеризующие
эксперимент, формируются в виде отдельного
блока. В состав блока могут входить
константы, коэффициенты полиномов,
дескрипторы. Каждая составная часть
блока представляется одним или
несколькими массивами. Так, в
несколько одномерных массивов сводятся
коэффициенты полиномов для
определения средней температурной
характеристики партии тензорезисторов,
характеристики преобразователей
температуры, холодного спая, модулей
упругости металлов и т. д. В виде
одномерных массивов записываются также
дескрипторы, содержимое которых
однозначно определяет структуру
массивов показаний приборов и порядок
обработки этих показаний.
Ниже приведены рекомендуемые для
задачи сбора и обработки информации
при высокотемпературной тензометрии
состав, назначение и организация
дескрипторов. Система состоит из
дескрипторов: показаний приборов,
измерительных точек, холодных спаев,
тензорезисторов — свидетелей,
дополнительных термопар, измеряемых
параметров, исключенных показаний
тензометрического прибора,
исключенных показаний термометрического
прибора. Построение дескрипторов
иллюстрируется на примерах
дескриптора показаний приборов и
дескриптора измерительных точек.
Дескриптор показаний приборов
определяет структуру массивов
показаний измерительных приборов. В
состав показаний термометрического
прибора входят отсчеты для термопар
измерительных точек, дополнительных
термопар и термопар, показания
которых интерпретируются как
измеряемые параметры исследуемого
процесса (например, температура
теплоносителя). В состав показаний
тензометр ического прибора входят отсчеты
для тензорезисторов, образующих
измерительные точки, тензорезисторов—
свидетелей, преобразователей,
измеряющих температуру холодных спаев,
контрольных точек и тензорезисторов,
показания которых интерпретируются
как измеряемые параметры (например,
усилия, давления или другие
параметры, измеряемые тензорезисторными
датчиками механических величин).
Все элементы дескриптора, за
исключением элементов № 1 и 4 (см.
ниже), определяют численные
соотношения. Определенные значения этих
соотношений зависят от требований,
предъявляемых к системе
программного обеспечения, характеристик
используемой операционной системы,
типов измерительных приборов, а также
емкости оперативного и
долговременного запоминающих устройств
применяемой ЭВМ.

Программное обеспечение многоточечных систем
76
5
6
7
8
10
Тип источника информации
Число показаний тензометри-
ческого прибора (включая
холодный спай и контрольные
точки)
Число показаний
термометрического прибора
Порядок следования показаний
приборов
Число контрольных точек
Номер первой контрольной
точки
Число измерительных точек
Число тензорезисторов —
свидетелей
Число дополнительных
термопар
Число измеряемых параметров
Структура дескриптора
измерительной точки
Дескриптор измерительной точки
определяет порядковый номер и тип
измерительной точки: одно- двух- или
трех компонентная розетка.
Приводятся значения индивидуальных
поправок к бредней температурной
характеристике для каждого тензоре-
зистора и значения длин проводов,
соединяющих тензор езисторы с клем-
мными устройствами (за пределами
схемы, исключающей влияние
проводов).
Число дескрипторов равно числу
измерительных точек схемы
тензометрии конкретного эксперимента.
Дескрипторы измерительных точек
удобно представлять в виде таблицы.
Дескриптор холодных спаев
определяет номера отсчетов в массиве
показаний тензометрического прибора для
определения температуры холодных
спаев и номера отсчетов для термопар
в массиве показаний
термометрического прибора, к которым эти
холодные спаи относятся.
Отсчеты для термопар сведены в
группы, число которых соответствует
числу холодных спаев (числу зон
с разными температурами холодных
спаев). Для характеристики каждого
холодного спая в дескрипторе
отводится три элемента. В первом элементе
записан номер отсчета для первой
термопары какой-либо группы, во
втором — номер отсчета для последней.
Третий элемент содержит номер
отсчета для преобразователя, измеряю-
& i
5 **«
m p.
о
« н s
lit
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Элемент дескриптора определяет
Номер измерительной точки
Номера отсчетов в массиве
показаний ' термометрического
прибора для
термопары рабочего тензоре-
зистора
резервной термопары
рабочего тензорезистора
термопары
компенсационного тензорезистора
резервной термопары
компенсационного тензорезистора
Номер отсчета в массиве
показаний тензометр ического
прибора для первого
тензорезистора измерительной точки
Число, обозначающее тип
измерительной точки
металла, на котором
установлены рабочие тензорези-
сторы
металла, на котором
установлены компенсационные
тензорезисторы
Значения длин (см) соедини*
тельных проводов,
расположенных в зоне
повышенной температуры
переходной
установки клеммных
устройств
Значения индивидуальных
поправок к средней
температурной характеристике для
I тензорезистора
II тензорезистора
III тензорезистора

76 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
Г
Программа-
диспетчер
ввода
данных
данных
ведущая
программа - диспетчер
X
Программа-
диспетчер
редактирования
данных
Программы
редактирования
данных
Программа,
организующая
контроль
системы
Программы
контроля
системы
Программа-диспетчер
сбора и обработки
информации
Программа,
организующая
сбор
информации
X
Программа,
организующая
обработку
по ступеням
Программы
сбора
информации
Программа*
организующая
по точкам
X
Программы
обработки
информации
Рис. 3. Структурная схема системы программного обеспечения «Натура»
щего температуру холодного спая в
массиве показаний тензоприбора.
Аналогично строятся дескрипторы
тензорезисторов—свидетелей,
дополнительных термопар, измеряемых
параметров, исключенных показаний
приборов.
Такая формализация позволяет при
переходе от одного эксперимента к
другому изменять только дескрипторы.
Структура программного обеспечения
«Натура» представлена на рис. 3.
Она состоит из ведущей программы—
диспетчера и трех
программ—диспетчеров второго уровня:
программы—диспетчера ввода данных, управляющей
процедурой ввода данных,
характеризующих эксперимент;
программы—диспетчера редактирования данных в ходе
эксперимента;
программы—диспетчера сбора и обработки информации.
Программа второго уровня
предусматривает работу в диалоговом
режиме, предельно упрощающем работу
оператора. Ввод данных
осуществляется по запросу системы на дисплее,
что исключает возможность неполного
ввода данных и обеспечивает
необходимую последовательность.
Программа—диспетчер ввода
данных обеспечивает управление
комплексом программ четвертого уровня (и
подпрограмм, находящихся на пятом
уровне), которые осуществляют ввод
дескрипторов, оперативных данных и
вводимых параметров. Этот комплекс
программ предусматривает
формальный контроль вводимой информации
и редактирование ее при обнаружении
ошибок.
Все вводимые данные
регистрируются на печатающем устройстве для
последующего контроля и ведения
протокола.
Программа—диспетчер
редактирования данных обеспечивает
управление комплексом программ,
позволяющих вносить изменения в ранее
введенные дескрипторы по ходу
эксперимента. Этот комплекс так же, как и
предыдущий, предусматривает
формальный контроль вводимой
информации и обязательное
документирование (печать) всех внесенных изменений.
Программа—диспетчер сбора и
обработки информации управляет
четырьмя программами третьего уровня,
организующими контроль
измерительной системы, сбор информации,
первичную обработку информации по
ступеням и первичную обработку
информации по измерительным точкам.
Программа контроля измерительной
системы вызывается автоматически при
каждом обращении к сбору
информации и осуществляет оценку
соответствия значений показаний
контрольных точек и среднего квадратического
значения разброса показаний
приборов при многократном опросе заданным
значениям. Если эти параметры
выходят за пределы допусков, оператору
выдается информация для принятия
решения.

Программное обеспечение многоточечных систем
77
Программа сбора информации
осуществляет управление опросом
измерительных точек, формальным крнтро-
лем правильности вводимой
информации, выявлением грубых промахов и
исключением их из обработки,
вычислением средних значений
показаний приборов и пересылкой их на
хранение в долговременное
энергонезависимое запоминающее устройство
(наиболее удобно на диски магнитной
памяти).
При проведении эксперимента
собранная информация представляет
собой матрицу, строки которой
соответствуют показаниям по всем
измерительным точкам для одной ступени,
а столбцы — показаниям по одной
точке последовательно по всем
ступеням. Предусматривается
соответственно два вида обработки
информации. Первый — обработка по ступеням,
дающая возможность
экспериментатору судить о
напряженно-деформированном состоянии объекта и
сопутствующих параметрах на каждой
ступени; второй — по измерительным
точкам, дающий возможность изучать
кинетику изменения
напряженно-деформированного состояния и
сопутствующих параметров для каждой
исследуемой точки объекта.
Эти два вида обработки обеспечивают
две программы третьего уровня: про-
ФОРМА 1. ВЫВОД НА ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ
ИНФОРМАЦИИ ПО СТУПЕНЯМ
ЭКСПЕРИМЕНТ А/18
ДИСК № 4
ИНФОРМАЦИЯ ПОЛУЧЕНА
ИНФОРМАЦИЯ ОБРАБОТАНА
16.09.85
25.09.85
ОПЕРАТОР КУЛАКОВ
ОПЕРАТОР ИСТОМИНА
НУЛЕВОЙ РЕЖИМЕ* 2 (ЗАТЯГ) НУЛЕВАЯ СТУПЕНЬ № 5
РЕЖИМ FQ 9 (РАСХОЛАЖИВАНИЕ) СТУПЕНЬ №18
ВРЕМЯ ОТСЧЕТА 12.15 ОТКЛЮЧЕНИЕ № 1
ПОКАЗАНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ ТОЧЕК
ТЕМПЕРАТУРА ХОЛОДНЫХ СПАЕВ
ИЗМЕРЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ
7643
45
-7502
43
-316
407
Р1
ТК 1
ТК 2
N %
27
450
370
80
ЗНАЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ.НАПРЯЖЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТОЧКАХ
НОМЕР
ИЗМ.
ТОЧКИ
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
ТЕМПЕРАТУРА
ГРАД.
ТР
98.
113.
107.
108.
138.
120.
159.
119.
111.
119.
110.
| ТК
101.
112.
107.
107.
138.
120.
159.
119.
111.
119.
110.
ДЕФОРМАЦИИ В НАПРАВЛЕНИИ
УСТАНОВКИ
EPS1 |
228.
48.
43.
49.
22.
-22.
* * * * *
-11.
-48.
*****
-18.
ТЕН30РЕЗИСТ0Р0В
1/МЛН
EPS2
-81.
-19.
-12.
-103.
65.
11.
EPS3
-16.
-13.
-468.
-5.
ГЛАВНЫЕ
НАПРЯЖЕНИЯ
МПА
S1
47.
10.
7.
10.
35.
-5.
*****
-9.
78.
*****
2.
| S2
-27.
-27.
*****
-24.
-73.
-24.
УГОЛ
1
ГРАД. |
Ф 1
-25.
*****
42
-3.

78 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
грамма, организующая обработку
информации по ступеням, и программа,
организующая обработку информации
по измерительным точкам. Обе эти
программы обращаются к программам
четвертого уровня и подпрограммам
пятого уровня, которые осуществляют
первичную обработку информации.
Первичная обработка информации
включает в себя вычисление значений
температур, метрологических
характеристик тензорезисторов,
механических характеристик материалов, из
которых изготовлены исследуемые
детали, выходных сигналов тензорези-
сторов, деформаций, главных
напряжений и углов, определяющих их
направления, а также измеряемых
параметров, характеризующих
состояние объекта. Результаты первичной
обработки выводятся на печать. Формы
вывода для двух случаев обработки
приведены ниже.
.ФОРМА 2. ВЫВОД НА ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ
ИНФОРМАЦИИ ПО ТОЧКАМ
ЭКСПЕРИМЕНТ А/18
ИНФОРМАЦИЯ ОБРАБОТАНА З-ОКТ-86
ДИСК №4
ОПЕРАТОР Истомина
НУЛЕВОЙ РЕЖИМ № 2 (РАЗОГРЕВ) НУЛЕВАЯ СТУПЕНЬ № 1
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТОЧКА № 25
РЕЖИМ № 2 (РАЗОГРЕВ) СТУПЕНИ N№ 1-7
ЗНАЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ,НАПРЯЖЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУР
НОМЕР

СТУПЕНИ
ДАТА
ВРЕМЯ
Ч,МИН
ТЕМП.
ГРАД.
ДЕФОРМАЦИЯ
1/МЛН
НАПРЯЖЕНИЯ
МПА
ИЗМЕРЯЕМЫЕ
ПАРАМЕТРЫ
| | | ТР | EPS1 | EPS2 | S1 | S2 | ТК 1 \ Р 1
1
2
3
4
5
6
7
05.12.85
06.12.85
06.12.85
06.12.85
07.12.85
08.12.85
10.12.85
12.04 97.
11.35 130.
14.44 149.
15.46 157.
9.50 206.
10.10 206.
10.07 216.
-
308.
299.
304.
300.
300.
292.
60.
58.
59.
57.
57.
55.
60.
250.
230.
240.
283.
280.
280.
50.
67.
82.
160.
162.
10.
В заголовках выведены все данные,
необходимые для протоколирования
эксперимента и полностью исключа-
щие необходимость дополнительных
записей. При выходе из строя
первичных преобразователей в
соответствующих графах таблиц ставится знак
Система программного обеспечения
«Натура» может быть реализована на
мини- или микроЭВМ, обладающей
оперативной памятью не менее 32К байт
и дисковой магнитной памятью. Объем
магнитной памяти определяет число
ступеней, информация о которых
может быть записана без смены диска.
Например, на диске емкостью 2,5М
байт может быть записано до 800
ступеней при общем числе тензорезисто-
ров и термопар до 1000.
Обработка информации должна
заканчиваться оценкой погрешности
измерений. Применительно к задачам
высокотемпературной тензометрии это
имеет особо важное значение в связи
с тем, что выходной сигнал тензор
езисторов содержит неинформативную
составляющую, значение которой часто
превышает значение информативной
составляющей. Вопросам метрологии
тензометрии (при исследовании
статических или квазистатических процессов)

Матообеспечение систем динамического тензометрирования 79
посвящены работы [5; 6; 9; 10; 11;
13], в которых рассмотрены различные
аспекты этой задачи. Опыт ряда
организаций в расчетной оценке
погрешности тензометрических измерений
обобщен и систематизирован в
методических указаниях МИ 1347—86
«Государственная система обеспечения единства
измерений. Методика определения
погрешности измерения деформаций
проволочными и фольговыми тензорези-
сторами», выпущенных Госстандартом.
Извлечение из этих методических
указаний дано в приложении 2.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
СИСТЕМ ДИНАМИЧЕСКОГО
ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЯ
Измерение динамических
деформаций, обусловленных воздействием на
объект исследования нагрузок,
изменяющихся по периодическим законам,
обычно осуществляют по схеме,
приведенной на рис. 2 гл. 3. Основные
результаты могут быть получены с
помощью приборов массового
применения: вольтметров, фазометров,
спектральных анализаторов. Для изучения
закономерностей изменения"
деформаций в пределах одного периода,
взаимосвязи между деформациями и
усилиями, а также для анализа
закономерностей изменения измеряемых
деформаций в зависимости от режимов
работы объекта могут быть применены
специальные анализаторы или
универсальные ЭВМ. Программы обработки
информации в этих случаях зависят
от целей и конкретного объекта
исследований.
При воздействии на конструкцию
нагрузок, носящих стохастический
характер, обработка результатов
динамического тензометрирования может
осуществляться для решения двух
задач: определения характеристик
возмущающих сил и динамических
характеристик объекта исследования или
для накопления информации об истории
нагружения объекта для оценки
отработанного ресурса.
Динамические характеристики
определяют путем нахождения и анализа
корреляционных (или
взаимокорреляционных) функций и спектральной
Рис. 4. Схематизация случайного процесса
по двухпараметрическому методу разма-
хов. Выделенные полуциклы нагружения:
3 — 6; 6—5; 5 — 8; 8 — 6; 6—10; 10 — 4; 4 — 6;
6 — 1; 1 — 9; 9 — 7; 7—10; 10 — 1; 1 — 9; 9—7;
7 — 8; 8 — 3
(или взаимоспектральной) плотности.
Решение этих задач при обработке
тензометрической информации не
отличается от аналогичных, например
в виброметрии. Материалы по этому
вопросу изложены в ряде работ (см.
например, [7; 8]).
Методы обработки информации об
истории нагружения для оценки
ресурса обобщены и регламентируются
ГОСТ 25.101—83 «Расчеты и
испытания на прочность. Методы
схематизации случайных процессов
нагружения элементов машин и
конструкций и статистического
представления результатов».
ГОСТ 25.101—83 предусматривает
применение различных методов
схематизации. Общими исходными
положениями для всех методов являются
следующие: непрерывный случайный
процесс дискретизуется (по
ординатам); анализируются его экстремальные
значения и определяются (по тем или
иным правилам) циклы или полуциклы
нагружения; предполагается, что
последовательность воздействия циклов
не влияет на повреждаемость
материала. Полуциклом называется часть
процесса, заключенная между двумя
экстремумами. Полуцикл,
заключенный между минимумом и максимумом,
в сочетании с полуциклом,
заключенным между максимумом и минимумом
с теми же ординатами, образует цикл.
Полуциклы, заключенные между двумя
соседними экстремумами, называются
элементарными.
ГОСТ 25.101—83 рекомендует при
дискретизации процесса разбивать весь

80 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
к»
/
г
3
ч
5
6
7
в
9
10
п
12
13
14
15
Максимум процесса j
1
2
«1
3
"1
п\
Ч
пЧ
»;
»i
5
п?
п5,
"/
п*
б
nl
п\
п\
П*
ns
7
nj
nl
n]
nl
nl
nl
8
nf
nl
nf
<
ni
nl
n?
9
nf
nl
nl
ni
nl
nl
nl
nl
10
n*0
nf
nf
nf
nf
nf
nf
nf
nf
11
nl
nl
n?
»:
nf
nf
nf
n'i
nf
ni
12
n?
n?
nf
nf
nf
nf
nf
nf
nf
ni
nf
13
n?
nf
nf
nf
nf
nf
nf
nf
nf
Iff
Л/2
14
n?
n?
n?
nf
nf;
nf
n7
nf
nl
n%
nf
"8
nS
15
n?\
nf\
nf\
/7?
nf\
nf\
7
nf\
nf\
nm\
nf\
nS\
n%\
n%\
Обозначения: j-Верхний индекс; l-нижний индекс;
п-число накопленных полу циклов
Рис. 5. Корреляционная таблица
диапазон возможных его значений на L
классов. Количество классов должно
удовлетворять неравенству: 14 ^
< L < 32.
На рис. 4 (для упрощения) весь
диапазон разбит на L = 10 классов,
границы между классами образованы
десятью уровнями дискретизации,
обозначенными на оси ординат цифрами
от 1 до 10. На этом рисунке экстремумы
обозначены буквами русского
алфавита. При дальнейшем рассмотрении
для координат минимумов
присваивается нижний индекс г, а для
координат максимумов — верхний индекс /.
Так, например, точка д — минимум,
следовательно, i = 6; точка е —
максимум, следовательно, / = 10 (рис. 5).
В зависимости от характера
исследуемого процесса предусматривается
применение одно- и двухпараметриче-
ских методов систематизации. При
однопараметрических методах
учитываются только значения размахов
циклов (полуциклов), представляющих
собой разности значений процесса в
точках максимума и минимума. При двух-
параметрических методах
учитывается также и положение циклов
(полуциклов) относительно нуля, т. е.
асимметрия. Реализация двухпараме-
трической схематизации может быть
осуществлена с помощью
корреляционной таблицы, которая фиксирует
статистическую связь между
значениями минимумов (i) и следующих за
ними значениями максимумов (/) (для
восходящих полуциклов) и
значениями максимумов (/) и следующих за
ними значениями минимумов (/) (для
нисходящих полуциклов). При
обработке больших массивов число циклов

Матообеспечение систем динамического тензометрирования 81
щ принимают равным полусумме числа
восходящих /^ , и нисходящих п>!
полуциклов:
-/ _ ni4 + n/-W
П<- 2 *
При больших массивах справедливо
соотношение
Поэтому при обработке информации
можно ограничиться подсчетом числа
только восходящих или только
нисходящих полуциклов.
На рис. 5 представлена форма
корреляционной таблицы экстремумов на
15 уровней (классов). Для каждой
клетки корреляционной таблицы может
быть вычислено значение амплитуды а
и среднее значение т эквивалентного
цикла нагружения:
/ — i . / + *
г
Например, на рис. 4 в клетке
корреляционной таблицы с координатами i=
= 8; /= 14 накоплено /if4 циклов
с амплитудой 3 и средним значением
11 единиц дискретности.
Простейший вариант двухпараметри-
ческой схематизации,
предусмотренный ГОСТ 25.101—83, представляет
собой метод размахов, последовательно
учитывающий все экстремумы
процесса. Пример применения этого
метода приведен на рис. 4.
Последовательно выделяются пол у циклы,
образованные экстремумами а и б —
полуцикл 3—6; бив — полуцикл 6—5
(эквивалентно 5—6); в и г — полуцикл
5—8 и т. д. Так учитываются все
элементарные полуциклы.
Приведенный пример иллюстрирует
двухпараметрический метод размахов,
а также показывает его недостатки.
Например, этот метод не учитывает
постепенное нарастание процесса от
минимума а к максимуму е
(укрупненный цикл) с наложенными
промежуточными циклами с малыми
амплитудами, образованными экстремумами
б, б, г и д. Аналогично спадающая
ветвь процесса е—и не учитывается,
а учитываются только составляющие
ее более мелкие циклы. Таким
образом, двухпараметрический метод
размахов не учитывает повреждающего
действия «больших» циклов.
Устранение указанного недостатка двух-
параметрического метода размахов
осуществляется при реализации
рекомендуемых ГОСТ 25.101—83 метода
«полных циклов» и метода «дождя» (см.
также [7]). Оба эти метода учитывают
как укрупненные циклы, так и
наложенные на них циклы с меньшими
амплитудами. Различие методов
сводится по существу к различию
мнемонических правил, по которым
выделяются циклы. Рассмотрение этих
методов показало, что метод «дождя» легче
алгоритмизировать для обеспечения
обработки в реальном масштабе
времени.
Мнемонические правила выделения
циклов по методу «дождя»
заключаются в следующем.
1. Любой экстремум является
точкой инициирования потока.
Различают восходящие (начинающиеся в
минимумах) и нисходящие
(начинающиеся в максимумах) потоки.
2. Восходящий поток
останавливается в момент, соответствующий
минимуму, значение которого меньше
или равно значению точки инициации
потока. Аналогично нисходящий поток
останавливается в момент,
соответствующий максимуму, значение
которого больше или равно значению
точки инициации потока.
3. При встрече нескольких потоков
на одной «крыше» движение
продолжает поток, инициированный раньше
по времени. Все остальные потоки
останавливаются. Крышей условно
называется часть процесса, заключенная
между двумя соседними экстремумами
(т. е. элементарный полу цикл),
например, части процесса, заключенные
между точками д и е\ з и и и т. д.
(рис. 6).
4. Остановившийся поток определяет
полуцикл нагр ужения. На рис. 6
представлен тот же фрагмент
случайного процесса, что и на рис. 5, но
обработанный по методу «дождя». Для
удобства пояснения все экстремальные
точки на рисунке помечены буквами
русского алфавита, а каждый поток
идентифицируется экстремумом, в
котором он инициирован. Поток а в со-

82 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
Рис. 6. Схематизация случайного
процесса по методу с до ждя» . Выделенные
полуциклы нагружения:
6—5; 5 — 6; 8 — 6; 6 — 8; 3 — 10: 4—6; 6—4;
10 — 1; 9 — 7; '7 — 9; 1 — 10; 7 — 8; 8 — 7;
исследуемый процесс ——; потоки,
останавливающиеся в соответствии с
правилом 2 ( ), с правилом 3 (— —)
ответствии с правилом 2
останавливается в момент, соответствующий
минимуму и, и определяет полуцикл
3—10. Точно так же поток б
останавливается при максимуме г, а поток г
при максимуме еу которые и
определяют соответственно полуциклы 6—5
и 8—6. Потоки вид останавливаются
каждый в свое время в соответствии
с правилом 3 при встрече с потоком а,
который инициирован раньше этих
.потоков, и определяют полуциклы
5—6 и 6—8 соответственно. Обработка
информации об остальных циклах
ведется аналогично.
Обработка информации об истории
нагружения начинается с выделения
экстремумов. Эта задача может
решаться двумя способами. Первый —
преобразование аналогового сигнала
в код с помощью аналого-цифровых
преобразователей с тактовой частотой,
существенно превышающей высшую
частоту спектра исследуемого сигнала,
ввод кодированной информации в ЭВМ
и определение экстремума
программными средствами. Второй —
выделение экстремальных значений
специализированным анализатором и ввод
в ЭВМ кодов, соответствующих только
экстремальным значениям. Для
обработки в реальном масштабе времени
способ 2 предпочтительнее, так как
время между двумя экстремумами,
равное периоду наивысшей частоты
спектра процесса, может быть
использовано для выполнения программы
схематизации.
При обработке информации в
реальном масштабе времени создается
возможность обработки реализации
практически неограниченной длины.
Например, если в памяти миниЭВМ
для каждого элемента выделено два
слова (32 двоичных разряда), то в нее
может быть занесено как минимум
109 (полуциклов) нагружения. Для
обеспечения максимального
быстродействия программирование
осуществлено на ассемблере. Для ЭВМ типа
СМ—1 максимальная частота
исследуемого процесса, при которой возможна
обработка информации в реальном
масштабе времени (с использованием
программ, разработанных в ИМАШ
АН СССР), для метода дождя — 450 Гц,
а для двух параметрического метода
размахов — 4500 Гц.
Если максимальная частота
исследуемого процесса ниже указанной, а
информация зарегистрирована с
помощью магнитографа, то возможна
ее ускоренная обработка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вопросы математического
обеспечения обработки данных тензометрии при
прочностных испытаниях: Сборник работ.
Вып. 2261. М.: ЦАГИ, 1985. 46 с.
2. Дайчик М. Л., Кулаков П. П.,
Фролова Т. И. Модернизация ЭВМ «МИР-1»
для обработки больших массивов данных
тензометрии//Экспериментальные методы
исследования напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И. Пригоровского. М.:
Наука, 1977. С. 7 — 11.
3. Дайчик М. Л., Кулаков П. П.,
Фролова Т. И. Обработка информации
на ЭВМ при высокотемпературном тензо-
метрировании//Методы исследования
напряжений в конструкциях энергетического
оборудования/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Наука, 1983. С. 101 — 108.
4. Дмитриченко С. С, Полев В. А.,
Боровик А. П. Автоматизация расчета
на ЭВМ долговечности элементов машин
при случайном нагружении//Вестник
машиностроения, 1982. № 1. С. 7—11.
5. Клокова Н. П. Метрологические
характеристики тензорезисторов и оценка
погрешности измерения
деформации/Измерительная техника. 1978. № 5. С. 32 — 34.
6. Коломиец В. П. Определение
потребного количества отсчетов показаний
тензорезистора по заданной доверительной
точности измерений деформаций//Теория
автоматизированного проектирования.
Харьков: 1980. С. 100—111.
7. Левин М. Б., Мамонова Л. А.,
Одуло А. Б., Розенберг Д. Е. Система

Список литературы
83
обработки экспериментальных данных для
ЭВМ ЕС 1010//Автоматизация научных
исследований в области машиноведения.
М.: Наука, 1983. С. 44 — 58.
8. Левин М. Б., Одуло А. Б., Розен-
берг Д. Е. Пакеты прикладных программ
как составная часть системы
автоматизации научных исследований//Автоматиза-
ция эксперимента в динамике машин. М.:
Наука, 1986. С. 144.
9. Лупинский М. М. Метрологическое
обеспечение тензометрии//Измерительная
техника. 1984. № 7. С. 45 — 47.
10. Лупинский М. М. Состояние и
перспективы совершенствования
метрологического обеспечения измерений дефор-
маций//Измерительная техника. 1982. № 9.
С. 23 — 25.
11. Людмирская О. Б., Поляков А. Л.
Оценка погрешности измерения
деформаций при высоких температурах//Измери-
тельная техника. 1984. № 8. С. 43 — 44.
12. Михайлов-Михеев П. Б.
Справочник по металлическим материалам турбо-
и моторостроения. М.—Л.: Машгиз, 1961.
838 с.
13. Нехендзи Е. Ю., Адаховский А. П.
Исследование метода температурной
компенсации тензотерморезистора//Метроло-
гия, 1978. Ni И. С. 50.
14. Прейсс А. К. Определение
напряжений в объеме детали по данным
измерений на поверхности. М.: Наука, 1979.
128 с.
15. Прейсс А. К. Определение
напряжений по ограниченной
экспериментальной информации//Машиноведение. 1984.
№ 2. С. 77-83.
16. Прейсс А. К., Фомин А. В. Рас-
четно-экспериментальные методы в
механике упругого тела//Машиноведение. 1986.
№ 2. С. 76—83.
17. Пригоровский Н. И. Методы и
средства определения полей деформаций
и напряжений. М.: Машиностроение, 1983.
248 с.
18. Тензометрия — 83//Тезисы докладов
Всесоюзной научно-технической
конференции «Методы и средства тензометрии и
их использование в народном хозяйстве»
(Свердловск, 6—9 сент. 1983 г.). М.:
ИМАШ АН СССР, 1983. 386 с.

Глава
Натурные тензометрические
исследования атомного и
теплоэнергетического оборудования, работающего в
экстремальных условиях, проводят для
определения
напряженно-деформированного состояния основных узлов
в условиях эксплуатации. Изучение
действительных значений деформаций
и напряжений и их изменений во
времени в процессе эксплуатации
требуется для оценки прочности элементов
конструкций, оптимизации рабочих
режимов, разработки рекомендаций по
повышению ' надежности,
маневренности и ресурса эксплуатации
оборудования.
ПРИМЕНЕНИЕ НАТУРНОЙ
ТЕНЗОМЕТРИИ ПРИ СОЗДАНИИ И
ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Наибольшая эффективность
применения тензометрии достигается на
следующих этапах создания
конструкций:
при проектировании конструкции
и изготовлении отдельных узлов [2;
22; 11; 19; 21];
при сборке конструкций на заводе
[18; 11];
при проведении пусконаладочных
испытаний [8, с. 101; 5, с. 78; 12];
при эксплуатации [2; 3; 18; 17;
9, с. 3].
На этапе проектирования и
изготовления отдельных узлов
оборудования широко применяют
экспериментальные методы исследования
напряжений и деформаций: тензометрию,
поляр изационно-оптический метод,
метод хрупких покрытий (см. гл. 1).
Оптимальное сочетание возможностей
указанных методов и комплексный
подход при исследованиях
напряженно-деформированного состояния
позволяют успешно решать задачи по
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА
НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
созданию современных уникальных
атомных и энергетических машин, а
также другого оборудования,
работающего в экстремальных условиях.
На стадии проектирования и
изготовления отдельных ответственных
узлов оборудования большое значение
имеют исследования на моделях из
полимерных (низкомодульных)
материалов, а также стендовые
исследования, проводимые на металлических
моделях или штатных узлах, в
условиях, приближенных или полностью
соответствующих эксплуатационным
с помощью методов и средств
натурной тензометрии. При этих измерениях
отрабатывают различные варианты
конструктивных решений и режимов
эксплуатации и в ряде случаев
проводят ресурсные испытания.
Одновременно проводят и апробацию
разработанных для натурных
экспериментальных исследований средств и
методов высокотемпературной
тензометрии с учетом особенностей
исследуемого оборудования.
В настоящее время существенно
возрастает роль стендовых исследований
укрупненных узлов оборудования с
применением натурной тензометрии при
создании атомного и
теплоэнергетического оборудования.
При сборке на заводе в процессе
наладки и проверки совместной
работы узлов оборудования требуется
обеспечить контроль напряженного и
теплового состояния с применением
методов натурной тензометрии. При
этих испытаниях впервые исследуют
укрупненные узлы или штатную
конструкцию в сборе. На этом этапе
исследований конструкций весьма
эффективно использование
высокотемпературной натурной тензометрии, с
помощью которой обеспечивается
контрольная проверка корпусов
оборудования в сборе при действии
внутреннего давления, при затяге узлов глав-

Тензометрия при создании и эксплуатации оборудования
85
ного разъема и в ряде случаев при
пробных нагревах. При испытаниях
на заводе в ряде случаев используют
уже установленную на узлах
оборудования систему для натурной
тензометрии.
Пусконаладочные работы
предусматривают проведение тензометр ических
и термометрических исследований
узлов оборудования на всех основных
режимах испытаний, соответствующих
эксплуатационным. Однако переходные
режимы при пусконаладочных
испытаниях атомных реакторов несколько
отличаются, например, по скорости
изменения температуры
теплоносителя, от эксплуатационных условий,
так как тепловые режимы
обеспечиваются от работающих главных
циркуляционных насосов или других
вспомогательных источников. Это не
позволяет полностью выявить
действительные температурные напряжения,
возникающие в натурной конструкции
при некоторых нестационарных,
особенно резких, режимах. При этом
отсутствие радиационного воздействия
существенно облегчает проведение
тензометрии и, кроме того, имеется
возможность проведения повторных
режимов, что значительно повышает
достоверность результатов измерений.
Пусконаладочные работы на паровых
турбинах и другом энергетическом
оборудовании ГРЭС после капитального
ремонта проводятся в меньшем объеме,
чем для реакторов, и при значительно
пониженных, по сравнению с
эксплуатационными, температурах — около
400—450 °С (режимы сушки изоляции,
пробные электрические испытания и
др.). Измерения при испытаниях
проводят с помощью системы натурной
тензометрии для эксплуатационных
условий.
При эксплуатации натурные
тензометр ические исследования позволяют
получить большой объем информации
о действительной нагруженности
узлов оборудования при всех
стационарных и нестационарных режимах,
включая резкие переходные режимы,
в том числе аварийные,, если
допускается их имитация на начальной стадии
эксплуатации; изучают особенности
эксплуатационных режимов и
возникающих при этом напряжений,
имеющие место всплески и пульсации
температур теплоносителя и
температурных напряжений в стенках
корпусов, в первую очередь на их
внутренней поверхности, параметры циклов
нагруженности элементов
оборудования и др.; определяют действительную
картину изменения температур в
основных узлах энергетической
установки при переходных режимах, а
также возникающие при этом
напряжения и их распределение на
различных этапах режимов.
При эксплуатации энергетических
установок измерения выполняют при
более высоких температурах
теплоносителя и давлении в корпусе, чем'при
заводских ч и пусконаладочных
испытаниях, а также при радиационном
воздействии (в атомных установках).
При этом необходимо учитывать
реальный ресурс по времени стабильной
работы первичных преобразователей.
Исходя из этого, в процессе
разработки программ исследований при
пусковых испытаниях для некоторых
типов энергоустановок
предусматривают осуществление основных
рабочих режимов в течение первых 10—
20 суток испытаний.
Особенности условий работы системы
тензометрии энергетического
оборудования. При тензометрии внутренних и
наружных поверхностей стенок
корпусов и других узлов оборудования
атомных и тепловых энергетических
установок необходимо учитывать
существенные особенности в работе
первичных преобразователей и защитных
устройств, которые обусловлены
различием эксплуатационных условий на
этих поверхностях.
В табл. 1 приведены некоторые
основные параметры, характеризующие
условия, при которых должна быть
обеспечена надежность работы систем
тензометрии, установленных на
внутренней и наружной поверхностях
стенок корпусов атомных реакторов
типа ВВЭР и БН, паровых турбин
ГРЭС.
В табл. 2 даны, по опыту натурных
исследований, фактические
длительности наладки систем тензометрии и
эксплуатационных испытаний, а
также промежутки времени между
окончанием наладки системы и началом

1. Параметры, характеризующие условия работы системы натурной тензометрии энергетического оборудования
Тип оборудования
Корпус реактора типа
ВВЭР (ВВЭР-440,
ВВЭР-1000)
Корпус ЦВД паровой
турбины 200 МВт
Корпус АСК паровой
турбины
Корпус
теплообменника реактора БН-600

Теплоноситель
Вода
Пар
Пар
Жидкий
натрий
Рабочее
давление
(при
гидроиспытаниях),
МПа
10,0—13,0
(12,5-16,5)
10,0 (12,5)
13,0 (16,0)
0,8 (2,0)
Наибольшая
температура
по
теплоносителю, °С
280—325
490
(540 в ЦСД)
540
520
Наибольшая
скорость
движения
теплоносителя, м/с
8—10
300
(в
регулирующей ступени)
50
4—5
(во втором
контуре)
Наибольшая скорость изменения
температуры на поверхности
внутренней
20—30 °С/ч
1 °С/мин
1—2 °С/мин
0,5°С/с
наружной
20—30 °С/ч
0,5—
1 °С/мин
1—2 °С/мин
0,15°С/с
внутренней
при
нештатных режимах
60—90 °С/ч
5—10°С/с
5°С/с
3—4 °С/с
(БАЗ при
N= 100%)
Примечание. ЦВД — цилиндр высокого давления; АСК — аварийный стопорный клапан; ЦСД — цилиндр
среднего давления; БАЗ — быстрая аварийная защита; N — номинальная мощность.

Тензометрия при создании и эксплуатации оборудования
87
2. Длительность наладки системы натурной тензометрии,
промежуточных и эксплуатационных измерений
энергетического оборудования
Тип
энергетического

оборудования
Корпус
реактора
Корпуса
ЦВД и ЦСД
паровой
турбины
Корпуса
АСК и РК
паровой
турбины
Корпус

теплообменника
Объекты

исследований
Реакторы
ВВЭР-440 и
ВВЭР-1000
Паровые
турбины
К-200-130
Паровые
турбины
К-160-130,
К-200-130,
К-300-240,
К-800-240
Реактор
БН-600
Число
рабочих
тензорези-
сторов
200—300
из них
20—25
ДПД
100—150,
из них
10—15
ГТД
70—100,
из них
20—30
ГТД
60—80,
из них
5—10
ГТД
о.
Л
с
о
2
О.
н
о
ч
X
F
100—
150
100
40—50
50
s 5
о я
о.
К н
«5
СО о
са я
X £
« 2
о 2
£н
PQ о
1,5-
3 мес.
1,5 мес.
1,5 мес.
2—
3 мес.
Время
с момента
наладки
системы
тензометрии
до начала

эксплуатационных
измерений
6—12 мес.
5—10 дн.
5—10 дн.
6—7 мес.

Длительность

плуатационных
измерений
1—2 г.
15 дн.
20 дн.
1,5 г; из
них 1,1 г
при
эксплуатации
до N =
, = 80 %
Примечание. ДПД
зодатчик.
• датчик пульсации давления; ГТД — гермотен-
самих испытаний. В таблицу не
включены промежуточные этапы испытаний,
проводимых до начала
эксплуатационных испытаний.
Для внутренних и наружных
поверхностей напрягаемых стенок
корпусов энергетического оборудования
общим по условиям работы является
длительное воздействие высоких
температур (до 550[°С) в режиме
стационарного и нестационарного нагрева,
а для стенок корпусов реакторов и
другого оборудования первого контура
АЭС дополнительно воздействие
радиации. Имеются также различия по
условиям работы на внутренней и
внешней поверхностях стенок корпусов
энергетического оборудования.
Система натурной тензометрии с
учетом реальных сроков и условий созт
дания оборудования и его эксплуатации
должна обеспечить:
сохранность в рабочем состоянии
в течение от 1 мес. до 2 лет (и более)
всех измерительных точек в процессе
поэтапного строительства АЭС, ГРЭС
и других энергетических объектов;
возможность измерений по тензо-
резисторам и термопарам на
внутренних поверхностях стенок корпусов
и корпусных узлов при стационарном
и резко нестационарном (со скоростью
vt = 5-М0°С/с) воздействии высоких
температур (до 550 °С и более),
внутреннем давлении (до 20 МПа), при
потоках теплоносителя (газового, па-

88 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
роводяного и жидкометаллического со
скоростью 50—300 м/с и более) и при
радиационном воздействии. Для
наружной поверхности стенок
корпусов требования к системе тензометрии
менее жесткие, чем для внутренней,
в связи с отсутствием воздействия
внутреннего давления, потоков
теплоносителя и быстрых изменений
температур (тепловых ударов). Однако
необходимо обеспечить защиту от
механических повреждений и от
попадания влаги на первичные
преобразователи;
вывод наружу с внутренней
поверхности стенок корпусов действующего
оборудования коммуникационных
линий от измерительных точек для
получения необходимой информации в
условиях пусконаладочных и
эксплуатационных измерений и надежность
измерительной схемы с учетом того,
что в процессе испытаний исключен
доступ испытателя к измерительным
точкам для устранения
неисправности.
В соответствии с задачами
исследования и измеряемыми деформациями
(динамическими, квазистатическими,
статическими) при разработке метода
исследования, выборе средств и
компоновке системы натурной тензометрии
следует учитывать рассмотренные выше
основные условия эксплуатации
оборудования и работы измерительной
системы при испытаниях.
При разработке системы
тензометрии для натурных исследований
энергетического оборудования одной из
важных задач является выбор мест
установки первичных
преобразователей и определение рациональной
схемы их размещения. Выбор мест
и числа измерительных точек с
учетом задач исследований, особенностей
конструкций и режимов испытаний
показан на конкретных примерах в гл. 8
и 9.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ
НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Система натурной тензометрии
энергетического оборудования [3; 8, с. 101;
5, с. 78; 17; 12; 9, с. 35] в общем
случае состоит из первичных приборов —
преобразователей [тензорезисторов,
термопар, гермотензодатчиков (ГТД),
датчиков пульсации давления (ДПД)
и др.]; коммуникационных
(соединительных) линий от первичных
преобразователей до клеммных устройств,
устанавливаемых вне испытуемого
оборудования; защитных устройств
тензорезисторов, термопар,
коммуникационных линий и гермовыводов;
клеммных устройств; кабельных линий от
клеммных устройств; коммутаторов;
комплекса регистрирующей и
анализирующей аппаратуры, а также устройств
для синхронизации получаемых
первичных данных измерений;
вспомогательных устройств и ЭВМ для
обработки и выдачи информации. Ниже
рассмотрены основные элементы
системы натурной тензометрии
энергетического оборудования.
Применяемые тензорезисторы (см.
гл. 2). Типы тензорезисторов выбирают
с учетом условий работы натурного
оборудования и целей эксперимента.
Основными критериями при этом
являются диапазон рабочих температур при
измерениях, предполагаемый уровень
измеряемых деформаций и
длительность испытаний [5, с. 3; 9, с. 3].
При стендовых и натурных
исследованиях энергетического
оборудования деформации измеряют с помощью
термостойких тензорезисторов двух
типов: на металлической подложке,
привариваемых точечной контактной
сваркой к поверхности стенок
исследуемой конструкции, и тензорезисторов,
наклеиваемых на поверхности
посредством связующего (клея) с
последующей термообработкой
(полимеризацией связующего) непосредственно на
установленном объекте [42, 43], что
является препятствием для их
применения на крупногабаритных узлах
энергетического оборудования.
Применение наклеиваемых
тензорезисторов при натурных и стендовых
испытаниях энергетического и атомного
оборудования ограничивается также
отсутствием качественных
связующих — клеев, обеспечивающих
длительное использование установленных
тензорезисторов при температуре до
600 °С. В диапазоне температур до
200 °С применяют тензорезисторы на
подложке из бумаги или полимерной

Основные элементы системы натурной тензометрии
89
пленки (типа КФ4 или КФ5) с
использованием клеев на основе фенолфор-
мальдегидной смолы (типа ВС-350).
Когда невозможна термообработка
детали (узла) после установки тензо-
резисторов, применяют
привариваемые тензорезисторы на металлической
подложке — типа НМТ и др. (см.
гл. 2). Выбранные привариваемые
тензорезисторы должны удовлетворять
условию
Aa(*m-/o) + emax<0,002,
где Да — разность коэффициентов
линейного расширения подложки тензо-
резистора и детали; t0 и tm —
начальная и максимальная рабочая
температура натурного объекта; етах —
предполагаемый уровень измеряемых
деформаций.
Привариваемые тензорезисторы в
настоящее время нашли широкое
применение в высокотемпературной
натурной тензометрии энергетического
оборудования. Однако необходимо
учитывать изменение, начального
сопротивления установленных тензорезисто-
ров вследствие термического отпуска
мест точечной приварки их к
основному металлу, что затрудняет
получение надежных данных при первом
цикле нагрева. Точечная сварка
может вызвать также концентрацию
напряжений и снижение долговечности
тензометрируемого оборудования. Этим
вопросам должно быть уделено
внимание при подготовке и проведении
измерений. Установка тензорезисторов
и термопар и большинства узлов
системы тензометрии на исследуемом
оборудовании состоит из ряда
операций, требующих высокой
квалификации и опыта специалистов и
обязательного выполнения сложных
технологических требований.
Далее приведены варианты схем
размещения рабочих тензорезисторов
на наружной и внутренней
поверхностях стенок оборудования при
проведении натурных исследований.
Установка в измерительной точке на
наружной или внутренней
поверхности детали одного рабочего тензоре-
зистора. Применяют для измерения
деформаций при линейном
напряженном состоянии в детали, например,
в шпильках фланцевого соединения
корпусов, на контурах отверстий, на
кромке соединительных фланцев
корпусов и крышек и т. д.
Установка в измерительной точке
двух рабочих тензорезисторов с
базами, ориентированными во взаимно
перпендикулярных* направлениях.
Применяют для измерения деформаций
при двухосном
напряженно-деформированном состоянии в детали (плоское
напряженное состояние или плоская
деформация) при известных
направлениях главных деформаций,
например, при исследованиях
цилиндрической части корпусов оборудования
(турбин, реакторов, патрубков и т. д.)
в точках, расположенных по осям
симметрии; на фланцах крышек
корпусов; в неперфорированных
(сплошных) частях крышек корпусов и т. д.
Установка в измерительной точке
трех рабочих тензорезисторов. Углы
между принятым направлением и
осями тензорезисторов составляют 0; 45;
90° (прямоугольная розетка) или 0;
60; 120° (равноугольная розетка).
Применяют для измерения деформаций
при двухосном
напряженно-деформированном состоянии (плоское
напряженное состояние' или плоская
деформация) при неизвестных направлениях
главных деформаций, например, при
исследованиях цилиндрической части
корпусов в зоне патрубков или
фланцев разъема; на крышках или днищах
корпусов при несимметричном
расположении перфорации и т. д.
Способы установки
компенсационных тензорезисторов при проведении
натурных исследований
энергетического оборудования:
компенсационные тензорезисторы
устанавливают около рабочих
тензорезисторов (схемная температурная
компенсация): в направляющих
«салазках» с обеспечением свободного,
нестесненного деформирования
(рис. 1, а); привариваемыми на
пластине из металла исследуемой детали,
прикрепляемой на детали различными
способами с обеспечением свободного,
нестесненного деформирования
пластинки и близкого теплового
состояния пластинки и детали. Толщину
компенсационной пластинки следует
выбирать из условия обеспечения
достаточной жесткости в случае разли-

90
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
а) 6)
Рис. 1. Способы установки
компенсационных тензорезисторов:
а — в «салазках»; б — на
компенсационной пластинке; / — «салазки»; 2 —
скоба; 3 — компенсационная пластинка
чия коэффициента линейного
расширения подложки тензорезистора и
пластинки (рис. 1, б); привариваемыми
к детали с ориентацией базы
компенсационных тензорезисторов в
направлении, перпендикулярном рабочим
тензор ез и сторам.
Применение схемной компенсации
(рис. 2, а) предполагает тщательный
подбор тензорезисторов в пары
(рабочий #р — компенсационный RK)
по номинальному сопротивлению,
температурной характеристике и дрейфу.
Компенсационные тензорезисторы
располагают вне зоны измерений,
например, в термостатированном
устройстве для поддержания их постоянной,
регистрируемой в процессе измерений
температуры, и устанавливают
идентично вариантам, показанным на
рис. 1, а или 1, б. В случае, когда
не обеспечивается схемная
температурная компенсация, при обработке
результатов применяют способ
введения поправки на температурное
приращение сопротивления тензорези-
стора. При использовании указанной
выше схемы (см. рис. 2, б) установки
необходимо предусмотреть в мостовой
схеме компенсацию изменения
сопротивления проводов
коммуникационных линий, идущих от рабочих
тензорезисторов и проложенных в зонах
с различными температурами. Такая
компенсация достигается за счет
включения в измерительную схему
добавочной петли из коммуникационных
проводов, аналогичных (по диаметру
Рис. 2. Способы температурной
компенсации:
а — схемная компенсация; б —
компенсация с введением температурной
поправки; / — деталь; 2 — термопара; 3 — тен-
зометрический прибор; 4 —
компенсационная петля; 5 — термостат; 6 —
термометрический прибор
и длине) идущим от рабочих
тензорезисторов, с проводкой их в тех же
защитных трубках системы
тензометрии.
Этот вариант схемы установки
применяют также в случае, когда рабочий
тензорезистор термокомпенсирован для
металла детали в диапазоне
температур проводимых измерений.
Дополнительные сведения имеются в
работах [2; 4], а также в гл. 3.
При проведении натурной
тензометрии энергетического оборудования
предусматривается возможность
использования компенсационных
тензорезисторов, установленных рядом с
рабочими в качестве «свидетелей» для
оценки изменения характеристик
рабочих тензорезисторов, подверженных
воздействию эксплуатационных
условий (высокие температуры, радиация)
[4].
Установка тензорезисторов на
оборудовании. Подготовка
тензорезисторов перед установкой на исследуемое
оборудование включает в себя
следующие операции [17; 15]: измерение
сопротивления тензорезисторов;
измерение сопротивления изоляции;
подбор в пары (схемная компенсация)
по номинальным сопротивлениям,
температурным характеристикам,
дрейфу; обрезку полей подложки до нуж-

Основные элементы системы натурной тензометрии
91
3. Марки электродного сплава,
применяемые для точечной
контактной сварки
Рис. 3. Проверка качества сварки при
выборе режима
ных размеров и подрезку выводных
проводников (при необходимости);
зачистку полей подложки и
обезжиривание.
Перед установкой тензорезисторов
поверхность натурного объекта в
измерительных точках очищают от
коррозии, окалины, обезжиривают, а
также обрабатывают войлочными и
абразивными кругами. В качестве
растворителей для очистки и
обезжиривания поверхности применяют ацетон,
бензин и т. ir. Качество очистки
оценивают по внешнему виду
(металлический зеркальный блеск).
Режим точечной сварки
тензорезисторов к детали аппаратом типа ACT
[17] выбирают по таблицам
ориентировочных режимов, номограммам или
выполняют опытные работы.
Основными параметрами при этом являются
толщина подложника, сила тока /0,
длительность импульса т, диаметр
сварной точки dy усилие сжатия Рс и шаг
сварки h. Следует учитывать, что
режим сварки меняется при
колебаниях напряжений сети, шунтировании
тока, смятии и износе электродов и
т. п. Поэтому параметры режима
требуют стабилизации и регулирования
процесса сварки тензорезисторов.
Электрод необходимо периодически
зачищать, сохраняя его первоначальную
форму. При разработке технологии
точечной сварки наряду с выбором
форм и размеров электродов
подбирают материал для его изготовления.
В табл. 3 приведены марки
электродного сплава для точечной сварки
материалов, широко применяемых при
высокотемпературной тензометрии.
Перспективными в качестве
электродов являются композиционные
материалы (псевдосплавы),
изготовляемые методами порошковой металлур-
Свариваемые
материалы
Низкоуглеродистые и
низколегированные стали
Коррозионно-стойкие
стали и жаропрочные сплавы
Никель и сплавы на
никелевой основе
Марки

электродного
сплава
БрХ,
БрХЦр
БрКХКо,
БрНБТ
БрХВЦр,
БрХЦр
Примечание. БрХ — бронза
(хромовая), БрХЦр (хромоцирконие-
вая), БрКХКо (кобальт кремниевая),
БрНБТ (никель-бериллиевая),
БрХВЦр (хромованадиево-цирконие-
вая).
гии. Наибольшее распространение
получили вольфрамовые
композиции, известные в отечественной
практике и за рубежом под названием ки-
риты или эльконайты [10].
Качество соединения оценивают
испытаниями на срез и отрыв с анализом
макро- и микроструктуры соединения.
Усилия сжатия при регулировании
режима менять не рекомендуется; его
определяют на сварочном пистолете
заранее при отработке режима.
Непосредственно перед установкой
тензорезисторов следует выполнить
технологическую пробу: имитатор
подложки тензорезистора приваривают к
поверхности тензометр ир у емой детали
и затем его отрывают. При хорошем
качестве сварки в имитаторе
образуются отверстия в точках сварки
(рис. 3). Рекомендуемый режим
точечной сварки аппаратом ACT
тензорезисторов, например, типа НМТ-450,
к деталям из коррозионно-стойких
сталей типа 12Х18Н9Т: 1а = 470 А;
т= 0,1 с; d = 0,35 мм; Рс = 40-г-
-f-50 Н; h = 1,25 мм.
Для надежного соединения нихро-
мовых или других выводов
тензорезисторов типа НМТ-430, НМТ-450,
ТТБ и других, предназначенных для

92 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Рис. 4. Последовательность установки тензорезисторов, термопар и защитного
устройства на детали
длительных измерений при
температурах до 550 °С, с соединительными
проводами марки ПОЖ или ПОЖ-700
сварку необходимо вести дугой
постоянного тока в среде инертного газа,
например в аргоне. Надежность
такого соединения проверена
соответствующим испытанием в
нагревательной печи при температуре до
500 °С в течение 1500 ч [17].
На рис. 4 показаны этапы установки
двух рабочих тензорезисторов и
термопар на наружной поверхности
детали (на шпильке узла уплотнения
натурной конструкции).
Компенсационные тензорезисторы в
зависимости от тепловых режимов
устанавливают рядом с рабочими или в
термостатированном боксе. Следующим
этапом, после проверки состояния
тензорезисторов и измерительных линий,
является установка цельноштампо-
ванного колпака с трубками и
герметизация точечной сваркой с
перекрытием точек. Сварные швы в
зависимости от условий испытаний могут
быть покрыты герметиком (например,
кремнийорганическим лаком марки
КО-08).
Термопары. При исследовании
деформаций и напряжений в элементах
оборудования в эксплуатационных
условиях методом высокотемпературной
тензометрии необходимо измерять
действительные температуры на
внутренней и наружной поверхностях стенок
корпусов [9, с. 35; 14]. Это связано
с тем, что при обработке результатов
измерений деформаций необходимо
учитывать изменение температур,
температурных характеристик
тензорезисторов и тепловую инерционность
устройств, защищающих тензор езисторы
от воздействия рабочей среды. При
этом от точности вводимых
температурных поправок во многом зависит
достоверность результатов натурных
тензометр ических исследований. Кроме
того, при исследованиях для более
полного анализа напряженного
состояния корпусов возникает
необходимость получения информации, о
температурных состояниях в отдельных
точках поверхности стенок корпуса
в местах, недоступных для установки
тензорезисторов, а также об изменениях
радиальных градиентов температур
по толщине стенок.
Для измерения температур
наибольшее распространение при решении
задач натурных исследований
энергетического оборудования получили
термопары, имеющие небольшие
размеры датчиков. Термопары
обеспечивают технологичность и надежность
. при установке большого их числа на
внутренней и наружной поверхностях
и по толщине стенок корпусов, ма

Основные элементы системы натурной тензометрии
03
8 12 3 *
i*tma ^^■.,,;i>",MM*"ir
7
3
J5cb
—1 __^-
Рис. б. Варианты герметизированных термопар:
/ — спай термопары; 2 — чехол; 3 — скоба; 4 — пластина; 5 — шов аргонодуговой
сварки; 6 — узел пайки (ПСр-45); 7 — контактная точечная сварка; 8 — контактная сварка
с герметичным швом
лую инерционность для измерений
в условиях высокой нестационарности
тепловых состояний (при тепловых
ударах, при пусках и аварийных
остановах), стабильность характеристик
в течение до 5 лет от момента установки
до испытаний, относительно низкую
чувствительность к радиационным
воздействиям и т. п.
При исследованиях энергетического
оборудования применяют термопары
типа . хромель-коп ель до 600 °С или
хромель-алюмель до 900 °С с
жаростойкой изоляцией. Сваренные между
собой термоэлектродные провода
(термопара) прикрепляют к детали
контактной сваркой.
Измерение температур на
внутренней поверхности корпусов
энергетического оборудования в
эксплуатационных условиях представляет собой
сложную задачу, например, в стенке
корпуса цилиндра высокого давления
паровой турбины К-200-130,
омываемой паровой средой, когда при
температуре до 540 °С и давлении до
15 МПа температура изменяется со
скоростью до 10°С/с (при нештатных
режимах). В указанных условиях
термопары должны обеспечить надежную
работу в течение всего времени
эксплуатационных испытаний и
необходимую чувствительность во всем
диапазоне скоростей изменения температур.
Для исследования деформаций и
температур на поверхностях стенок
корпусов энергетического оборудования
Институтом машиноведения АН СССР
разработано и применено несколько
типов датчиков температуры
(герметизированных термопар), приведенных
на рис. 5 [9, с. 35].
Для измерения радиальных
градиентов температур в стенке корпусов
устанавливают по ее толщине
малогабаритные термопары в специально
выполненных ступенчатых отверстиях
[9, с. 35]. Для приварки спаев термо-

04 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Рис. 6. Установка термопар по толщине
стенки корпуса
пар в ступенчатых глухих отверстиях
применяют трубчатые медные
электроды.
На рис. 6, по опыту натурных
измерений корпусов цилиндров
высокого давления паровой турбины,
приведены схемы размещения (рис. 6, а)
глубинных термопар в стенке (при
толщине 150 мм) и установки (рис. 6, б)
термрпар с помощью трубчатого
электрода, а также график распределения
температур (рис. 6, в) по толщине
стенки, полученный при резком
изменении температуры рабочей среды
(теплоносителя).
Перед установкой термопары
(рис. 6, б) хромель-алюмелевые
провода 3 вводят в электрод У,
закрепленный в держателе пистолетного типа,
подключенном к сварочному
аппарату, а спай 4 отгибают на торец
электрода. Электрод, изолированный
хлорвиниловой трубкой 2, вводят в
отверстие на нужную глубину так, чтобы
спай термопары был плотно прижат
к уступу отверстия, после чего
выполняют контактную сварку.
Соединительные
(коммуникационные) провода и кабели. При
высокотемпературной тензометрии оборудования
необходимо применять специальные
жаростойкие провода на участках
трассы с повышенными и высокими
температурами. Основными
элементами конструкции соединительных
проводов являются токопроводящая
жила и изоляция [17; 6; 18;
9, с. 11].
4. Жаростойкие провода, применяемые в тензометрии
Обмоточный провод
С медной никелированной
жилой, изолированной двумя
слоями обмотки стекловолокном
с подклейкой и пропиткой
жаростойким органосиликатным
составом
С жилой из сплава 204, желез-
ненной и никелированной
гальваническим способом,
изолированной двумя слоями из
упрочненной нагревостойкой
стеклонити с пропиткой жаростойкой
органосиликатной композицией
Марка
провода
пож
ПОЖ-700

Номинальный диаметр
токопрово-
дящей
жилы, мм
0,315—
3,05
0,315—
3,00
Толщина

изоляции, мм
0,21—
0,27
0,28—
0,36
Допустимая
температура

эксплуатации, °С
До 300 —
длительно,
до 600 —

кратковременно
До 350 —
длительно,
до 700 —

кратковременно
Примечание. Сведения приведены в соответствии с ТУ 16.505.399—77.

5. Термопарные и термоэлектродные провода
Марка
пкл
пклэ
пкв
птно
ПТНО-900
ктмс
Металл, сплав
или пара сплавов
Медь-константан, медь-полу-
томак, хромель-копель
Медь-константан, медь-полу-
томак, хромель-копель
Медь-константан, хромель-ко-
пель, медь-копель
Хромель, копель или
алюмель
Хромель или алюмель
Хромель-алюмель, хромель-
копель
nxxs, мм*
2X1,5; 2X1,8;
2X2,5
2X1,5; 2X1,8;
2X2,5
2X2,5
1X0,2; 1X0,3;
1X0,5; 1X0,7;
1X1,2
1X0,2; 1X0,3;
1X0,5; 1X0,7;
1X1,2
2X0,02; 2X0,06;
2X0,3; 2X0,5;
2X0,6; 2X0,9
Изоляция
Лавсан — стекловолокно в
лавсановой оплетке, покрытой
клеем
То же, экранированный
ПВХ
Стеклопряжа с пропиткой
составом ОС-82-05 или КО-12
Кварцевое волокно,
стекловолокно с покрытием составом
ОС-82-05, КО-916
Кристаллический оксид магния
ПЭ-1М, ПЭ-ВМ в оболочке
из стали 12Х18Н9Т
Рабочая температура
120 °С
(ГОСТ 5.1236—72)
70 °С
(ГОСТ 5.1236—72)
До 600 °С
(ТУ 16.505.663—74)
До 900 °С
(ТУ 16.505.663—74)
До 800 (X—А)
До 600 (X—К)
(ТУ 16.505.757—75)
Примечания: 1. пж — число жил; S, мм2 — сечение жилы.
2. Проволока из сплавов хромель, копель и алюмель, применяемая при изготовлении проводов,
должна соответствовать ГОСТ 1790—77.

96
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
6. Кабели, применяемые i
Марка
СМПВГ-60
кмм
КУГВЭВ
КУПВ
КПВБ
Число жил
30—37
1—9
7, 14, 24, 37
7, 14, 19,
27, 37, 52,
61,91, 108
4, 5, 7, 10,
14, 15, 27,
37, 52, 61
i тензометрии энергетических установок
Сечение
жилы 5, мм2
0,5—2,5
0,14—0,35
0,35; 0,5
0,35; 0,5
0,75; 1,0;
1,5

Изоляция
пвх
пэ
пвх
пвх
пэ
Рабочая

температура, °С
—40 ... +65
—40 ...+70
—50 ...+65
—50 ... +65
—50 ... +50
ГОСТ. ТУ
ТУ 16.505.913—76
ТУ 16.505.488—73
ТУ 16.505.856—75
ГОСТ 18404.3—73
ГОСТ 1508—71
Примечание. Для всех марок кабеля жила медная.
Токопроводящие жилы
жаростойких проводов должны обладать
достаточно высокой
электропроводностью; способностью противостоять при
повышенных температурах окислению
на воздухе; минимально увеличивать
при эксплуатации электрическое
сопротивление; сохранять свои
механические характеристики при высоких
температурах; не оказывать
каталитического воздействия на тепловое
старение изоляции проводов и др.
Изоляцию жаростойких проводов
выполняют на основе стеклоэмалевых
и минеральных покрытий и
стекловолокна в сочетании с
высокотемпературными органосиликатными
материалами. В процессе эксплуатации
изоляция должна сохранять в
определенных пределах свои электрические и
физико-механические характеристики,
выдерживать резкие изменения
температуры и др.
Основными критериями при выборе
жаростойких проводов являются
диапазоны рабочих температур, удельное
сопротивление и температурный
коэффициент сопротивления, а также
свариваемость провода с выводными
проводниками тензорезистора. Для
соединения тензорезисторов с клеммными
устройствами на участке трассы с
повышенными (высокими) температурами
применяют провода, выпускаемые
промышленностью как обмоточные,
марок ПОЖ, ПОЖ-700 и др. (табл. 4).
В качестве термопарных проводов
следует использовать провода типа ПТНО
и др. (табл. 5).
Длина соединительных проводов не
должна превышать допустимой
величины, регламентируемой
применяемыми измерительными приборами, и
определяется в соответствии с
характеристиками, указанными в
технической документации на измерительную
аппаратуру.
Подготовка соединительных линий'
на участке «горячей» зоны включает
в себя жгутование жаростойких
проводов и протягивание их в защитные
трубки из коррозионно-стойкой стали
12Х18Н9Т. Провода рабочего и
компенсационного тензор езисторов
каждого полумоста при этом должны быть
свиты с шагом 50—200 мм между
собой. Не допускается, чтобы провода
от рабочего и компенсационного тензо-
резисторов одного полумоста были
размещены в разных защитных трубках
[9, с. 11; 12].
В качестве электроизоляции
жаростойких проводов при размещении их
в трубках применяют стеклочулок—
стеклошнур (ТУ РСФСР-44-5873—77)
диаметром 2—8 мм, предварительно
прокаленный для удаления парафина.
В системе тензометрии для
соединения измерительных точек тензорези-
сторов и термопар на участке от клем-
мных устройств до измерительной
аппаратуры используют различные типы
кабелей. Из них наибольшее
применение при натурных измерениях энер-

Основные элементы системы натурной тензометрии 97
гетического оборудования получили
кабели типа КММ, КУПВ и др. (табл. 5,
6) [1; 9, с. 11].
Защитные устройства для первичных
преобразователей. При проведении
тензометр ических исследовании
энергетического оборудования необходима
защита тензорезисторов, термопар и
соединительных проводов от
воздействия окружающей среды. Одним из
основных требований при разработке
защитных устройств элементов системы
тензометрии является индивидуальное
обеспечение герметичности защиты
каждой измерительной точки — от
первичных преобразователей до клем-
мных устройств. Опыт выполнения
натурных тензометр ических исследований
подтверждает правильность такого
требования, так как имевшиеся при
испытаниях вследствие дефектов в
сварке или в металле защитных
устройств случаи разгерметизации в
защите одной измерительной точки не
приводили к выходу из строя других
измерительных точек системы.
Защита тензоизмерительной схемы
должна быть оснащена устройством,
позволяющим выполнять ее
периодическую продувку в процессе эксперимента
(в случае разгерметизации и
попадания влаги в систему) или вакуумиро-
вание (при конденсации влаги в
трубках). Защитные устройства выбирают
с учетом условий работы натурного
объекта и его конструктивных
особенностей. Некоторые типы
применяемых защитных устройств,
изолирующих тензорезисторы и термопары от
воздействия среды и потоков
теплоносителя, приведены на рис. 7 [17].
Защитные устройства прикрепляют к
детали с помощью аргонодуговой или
контактной сварки; они должны быть
полностью герметичны. Устройства ти
пов а—в применяют при измерениях
на наружных поверхностях корпусов,
а типа г—ж на внутренних
поверхностях, подверженных длительному
воздействию рабочей среды, высоких
температур и давлений. Однако
применяемые защитные устройства в
любом варианте приводят к местному
искажению поля температур в
измерительной точке и, соответственно,
к появлению фиктивных деформаций
Ае и напряжений Да, определяемых
разностью температур At = tx —t2t
где tx — температура детали в зоне
защитного устройства и t2 — вне
этой зоны. В зависимости от скорости
изменения температуры vt протекаю-
Рис. 7. Варианты защитных устройств для тензорезисторов и термопар: / и 2 — тензо-
резисторы (рабочий и компенсационный). Продолжение рисунка см. на с. 98.
4 Дайчик М. Л. и др.

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Ф56
Продолжение рис. 7
$
4, |:„;й,.,..1и„а,:,„,Л
I
1Г~
II
||__
ф
е)
щего теплового процесса в
оборудовании и конструктивных особенностей
защитного устройства изменяется
величина Л/: увеличивается с
повышением vt и достигает минимального
значения при стационарных режимах.
Тепловую инерционность защитных
устройств измерительных точек на
внутренней поверхности стенок
оборудования при обработке результатов
натурных измерений не учитывать
недопустимо, так как при vf > 1-г-
-т-2°С/мин в некоторых случаях
возникают существенные ошибки в
измерениях.
Влияние на показания тензорезисто-
^
ж)
ров, установленных под защитным
устройством (например, рис. 7, г)
скорости разогрева внутренней
поверхности стенки корпуса сосуда
приведено на рис. 8, где еи и ед —
соответственно деформации в стенке,
измеренные тензор езистором под
защитным устройством, и
действительные, получаемые при отсутствии
защитных устройств.
При проведении длительных
измерений на внутренних поверхностях
стенок энергетического оборудования в
широком диапазоне скоростей
изменения температур теплоносителя
целесообразно совместное использова-

Основные элементы системы натурной тензометрии
99
8 12-
v,° С/мин
Рис. 8. Влияние скорости разогрева
внутренней поверхности стенки на
показания тензорезистора, установленного под
защитным устройством
ние тензорезисторов с защитными
устройствами (см. рис. 7, г—ж), но с
учетом поправок на их тепловую
инерционность и малотеплоинерционных
гермотензодатчиков, о которых
сказано ниже.
Гермотензо датчики. В настоящее
время разработаны и внедрены в
практику высокотемпературной тензометрии
конструкции тензор езисторов с
облегченной малотеплоинерционной
защитой. Из зарубежных разработок
следует отметить конструкцию тензо-
резисторов фирмы AILTECH (США)
[5, с. 10], привариваемых при
исследованиях внутренних и наружных
поверхностей энергетического и
атомного оборудования. Указанные
защищенные тензорезисторы выпускают, в
зависимости от задач исследований,
нескольких типов для измерений при
температурах 230—540 °С
(кратковременно до 650 °С). Тензорезисторы
имеют однопетлевой чувствительный
элемент и компенсационную витую
петлю, запрессованные с помощью
порошкообразного оксида магния в
капилляр из коррозионно-стойкой
стали диаметром 1—1,5 мм с
приваренной пластинкой (фланцем), с помощью
которой проводится точечная
приварка к стенке исследуемой
конструкции.
Для стендовых и натурных
эксплуатационных исследований корпусов
энергетического оборудования при
нестационарных режимах работы в
ИМАШе АН СССР на основе тензо-
резисторов типа НМТ и установленных
на них термопар X—А разработаны
герметизированные малотеплоинерци-
онные тензорезисторы (гермотензодат-
чики), не требующие дополнительной
защиты при установке на внутренней
и наружной поверхностях стенок
оборудования.-
На рис. 9 приведены три варианта
указанных гермотензодатчиков.
Разработанные гермотензодатчики
выполняют одновременно функции
тензорезистора и термопары, Tt. е. имеется
возможность определения температур
на базе измеренных деформаций, что
необходимо для экспериментального
исследования энергетического
оборудования, особенно при
нестационарных тепловых режимах (тепловых
ударах).
В варианте рис. 9, а гермотензодат-
чик состоит из термостойкого
тензорезистора 1 с установленной на нем
термопарой 3 типа X—А, крышки 4,
изготовленной из
коррозионно-стойкой фольги толщиной 0,1 мм со
штамповкой под тензорезистор, герметично
соединенной контактной сваркой с
подложкой тензорезистора, и выводной
а) В)
Рис. 9. Варианты гермотензодатчиков
4*

100 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
7. Состав и свойства припоев, применяемых для пайки элементов системы
высокотемпературной натурной тензометрии [16]
Марка
ПСр—40
ПСр—25
ПСр—45
ВПр—1*
ВПр—4*
i
А*
40
25
45
—
—
.'
Содержа
Си
16,7
40
30

Остальное
То же
ние элементов (мае. доли), %
Ni
0,3
—
—
27—30
28—30
Zn
17
35
25
—
—
Fe
—
—
До 1,2
1-1,5
Si
—
—
1,5-
2
0,8—
1,2
в
—
—
0,2
0,15—
0,25
о
2 s
сг
8,6
8J
8,7
8,63
8,03
Н А
с*°
Н р. ас
650
775
725
1120
940—
980
Н S
1*
s
650
820
780
1150
1020
Примечания: 1. Припой ВПр—4 помимо указанных в таблице
компонентов содержит 28—30 % Мп; 4—6 % Со; 0,01—0,2 % К; 0,05—0,15 % Na;
0,15—0,3 % Li; 0,1—2% P.
2. Материал соединяемых деталей в натурной тензометрии — коррозионно-
стойкая сталь, а также 12Х18Н9Т для припоев, отмеченных звездочкой
капиллярной трубки 5 0 2X0,2 мм
(материал — сталь 12Х18Н9Т),
припаянной к крышке 2 серебряным
припоем ПСР—45 с использованием
специальных флюсов (табл. 7, 8) и
предназначенной для защиты
соединительных линий 6 гермотензодатчика (от
тензорезистора и термопар).
Капиллярная трубка соединяется с трубкой
03X0,5 мм, стыкуемой с
переходником, к которому подсоединяется
также компенсационный гермотензодат-
чик. В гермотензодатчике оголенные
участки выводов и соединительных
проводов изолируют от подложки и
крышки стеклотканью, пропитанной
клеем ВН-15. Технология
изготовления и контрольной проверки гермо-
тензодатчиков приведена в работах
[8, с. 151; 9, с. 3; 13; 16].
Гермотензодатчики устанавливают
на деталь с помощью контактной
точечной сварки. Метрологические
характеристики гермотензодатчиков
определяют по той же методике, что и для
обычных высокотемпературных тензо-
резисторов на металлической подложке
(ГОСТ 21615—76). Более подробные
сведения приведены в гл. 2.
Чувствительность разработанных
гермотензодатчиков (рис. 9, а и "б)
равна 1,7, а температурные
характеристики практически такие же, как
и характеристики тензор езисторов, на
базе которых изготовлены
гермотензодатчики. Гермотензодатчик типа,
показанного на рис. 9, б, в основном
отличается от приведенного на
рис. 9, а, тем, что соединение узлов
вместо пайки серебряным припоем
полностью выполнено в нем сваркой.
Так, узел 2 соединен с крышкой
контактной сваркой с применением
высокотемпературных припоев типа
ВПР—4 и др. (см. табл. 7), что важно
для использования гермотензодатчиков
на внутренних поверхностях стенок
при исследованиях оборудования
первого контура реакторов АЭС.
Гермотензодатчик типа, показанного
на рис. 9, в, изготовлен в виде
облегченного фрезерованного корпуса 7,
в котором установлен вместе с рабочим
1 (приваренным к днищу точечной
сваркой) компенсационный 2 (в
«салазках») тензорезистор,
герметизированный приваренной пластинкой 4
из фольги, опирающейся на разгру-

Основные элементы системы натурной тензометрии
101
8. Флюсы, применяемые для пайки элементов системы
высокотемпературной тензометрии
Марка
(ГОСТ 23178 — 78)
ПВ 201
ПВ 209
Компоненты
Бура
Оксид бора
Фтористый
кальции
Лигатура (А1
48 %; Си 48 %;
Mg 4 %)
Фтористый калий
Оксид бора
Тетрафтороборат
калия (KBF4)
Содержание
(мае доли),
%
11—13
76—78
9,5—10,5
0,9—1,1
41—43
34—36
22—24
Назначение
и характеристика
Пайка коррозионно-стойких
и конструкционных сталей,
жаропрочных сплавов
высоко- и среднеплавкими
припоями (температурный
интервал активности флюса
800—1200 °С)
Пайка коррозионно-стойких
и конструкционных сталей,
меди и медных сплавов
среднеплавкими припоями
(температурный интервал
активности флюса 700—900 °С)
Примечание. При стендовых и натурных измерениях соединение
элементов защитных устройств тензорезисторов, пайка выводов тензорезисторов
с соединительными проводами (припой ПСр), соединение элементов гермотензо-
датчиков и гермотермопар (припои ПСр и ВПр) выполняют с применением
приведенных флюсов.
жающий сухарь 8. В гермотензодат-
чике установлены две термопары 3
типа ХА, показывающие в процессе
измерений действительные температуры
рабочего и компенсационного
тензорезисторов.
Гермотензодатчики типов,
приведенных на рис. 9, а—в, применяют
для исследования внутренних
поверхностей стенок корпусов атомного и
теплоэнергетического оборудования.
Уплотнительные устройства (гермо-
выводы) для соединительных
проводов. Соединительные линии от
тензорезисторов и термопар, установленных на
внутренней поверхности стенок
корпусов, выводятся наружу через
уплотнительные устройства (гермовыводы),
обеспечивающие надежную
герметизацию корпусов оборудования в
период длительных стендовых или
эксплуатационных измерений с
многократным изменением уровня
температур и внутреннего давления (/ =
= 300+550 °С; р = 10+20 МПа).
Конструкции ряда типов уплотни-
тельных устройств — гермовыводов
(электровводов), обеспечивающих
вывод изолированных проводов из
сосудов с внутренним давлением 100 МПа
и выше, но при температуре, не
превышающей 100 °С, приведены в
работе [20].
На рис. 10 показаны конструкции
трех типов уплотнительных устройств,
примененных ИМАШ АН СССР при
натурных тензометрических
исследованиях барабанов котлов ТЭЦ
(рис. 10, а), цилиндра высокого
давления паровой турбины мощностью
200 МВт (рис. 10, б) и внутрикорпус-
ных устройств энергетического
реактора ВВЭР-440 (рис. 10, в). Гермовы-
вод первого типа (см. рис. 10, а) для
уплотнения тензометр ических
коммуникационных линий, идущих из
внутренней части барабана котла,
представляет собой отдельную вставку в
виде усеченного конуса, ввариваемую
в водопускную трубу. Во вставке

|02 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
А-А
Рис. 10. Варианты конструкций гермовыводов (уплотнительных устройств)

Основные элементы системы натурной тензометрии
103
выполнены каналы для прохождения
защитных трубок 0 6 мм, которые
при выходе привариваются аргоно-
дуговой сваркой к уплотнениям,
предварительно приваренным к вставке.
Гермовывод испытан в процессе
проведения длительных натурных
измерений (около 20 сут.) при
максимальном давлении 17,5 МПа и при
температуре 280—300 °С. Гермовывод
второго типа (см. рис. 10, б)
предназначен для уплотнения тензометрических
коммуникационных линий, идущих из
внутренней части цилиндра высокого
давления паровой турбины.
Конструкция гермовывода обеспечила надежное
уплотнение коммуникационных линий
при натурных измерениях паровой
турбины в эксплуатационных условиях
при максимальном давлении 10—
12 МПа и температуре 480—540 °С.
Гермовывод третьего типа для
уплотнения коммуникационных линий,
идущих из внутренней части корпуса
энергетического реактора типа ВВЭР-440,
показан на рис. 10, в.
Коммуникационные линии тензометрии в защитных
трубках выводятся из реактора через
гермовывод, вмонтированный в крышке
аппарата, в патрубок системы
управления и защиты реактора с
демонтированными приводами. Гермовывод
представляет собой конический
патрубок с трубной доской, в которой
защитные трубки уплотняются аргоно-
дуговой сваркой. Конструкция
гермовывода обеспечила защиту
коммуникационных линий от тензор езисторов,
датчиков пульсаций давления и
термопар при натурных исследованиях
внутрикорпусных устройств реактора
ВВЭР-440 на АЭС в период «горячей»
обкатки оборудования первого контура
в течение одного месяца при
давлении 12—17,5 МПа и температуре до
300 °С.
Независимо от типа уплотнительного
устройства к концам защитных трубок
коммуникационных линий
приваривают или припаивают специальные кон-
цевики, в которые для уплотнения
проходящих термостойких проводов
заливают эпоксидную смолу холодного
отверждения с соответствующим
количеством отвердителя (10 %) и
пластификатора (90 %). Концевики с
эпоксидной смолой препятствуют
попаданию влаги извне в защитные трубки
и устраняют опасность разуплотнения
оборудования в случае повреждения
защитных устройств системы
тензометрии на внутренней поверхности
корпуса.
Клеммные устройства
предназначаются для обеспечения надежного
соединения термостойких тензометри-
ческих и термометрических проводов
от измерительных точек с кабельными
линиями, идущими к измерительной
аппаратуре.
При разработке клеммных устройств
для натурных и стендовых
исследований учитывают условия их работы и
конкретные требования в соответствии
с задачами, в том числе
продолжительность использования, окружающую
среду, возможности размещения,
число измерительных точек и т. д.
На рис. 11 приведена конструкция
герметичного клеммного устройства,
примененного при натурных
исследованиях энергетического оборудования.
При разработке его конструкции
предусмотрена возможность
присоединения в каждом клеммном устройстве
коммуникационных линий от 12
полумостов тензор езисторов и от 6
термопар; обеспечение герметичности в
течение всего времени испытаний;
обеспечение необходимой жесткости и
прочности, учитывая, что при
подготовке к пусконаладочным
испытаниям повышается опасность
механических повреждений и прожогов при
производстве монтажных и сварочных
работ на строящемся объекте; малые
размеры для удобства размещения.
Разработанное клеммное устройство
представляет собой жесткую
коробчатую конструкцию размером 240X
X140X80 мм с двумя секциями. В
большой секции закрепляются колодки
для соединения проводов, идущих от
тензор езисторов, гермотензодатчиков и
термопар с кабелями. Малая секция
предназначена для заливки
эпоксидной смолы, что уплотняет ввод трубок
с проводами, идущими от
исследуемого оборудования. Такое уплотнение
особенно необходимо, если трубки
с проводами выводятся из внутренней
поверхности сосуда, например, при
установке тензорезисторов и термопар
в корпус цилиндров паровой турбины.

104 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Рис. 11. Конструкция клеммного устройства:
/ — корпус; 2 — входные стыковочные трубки; 3 — эпоксидное уплотнение; 4 — клемм-
ные колодки; 5 — узел уплотнения кабеля; 6 — штуцер уплотнения для термопар; 7 —
пластинка с компенсационными гермотензодатчиками
Наряду с полностью
герметизированными клеммными устройствами при
проведении стендовых и натурных
исследований применяют также
сравнительно упрощенные конструкции
устройств, обеспечивающие соединение
существенно большего числа
коммуникационных линий от измерительных
точек с кабелями, идущими к
коммутатору или непосредственно к
измерительной аппаратуре.
Измерительную аппаратуру
выбирают, учитывая параметры режимов
испытаний, особенности и задачи
исследований натурной конструкции.
Основными критериями при выборе
измерительных приборов для
тензометр ических исследований
энергетического оборудования являются
диапазоны и скорость изменения
измеряемых величин, точность измерений и
число измерительных точек, способ
регистрации и обработки
результатов измерений, работоспособность в
составе
информационно-измерительных систем в комплексе с ЭВМ. Опыт
проведения стендовой и натурной
тензометрии энергетического оборудования
показывает, что при измерениях
наряду с цифровой регистрацией
необходимо визуальное наблюдение по
приборам за процессом изменения
деформаций, напряжений и температур
в заранее выбранном ограниченном
числе реперных измерительных
точек. Необходимость этого особенно
очевидна при тензометр ических
исследованиях оборудования в
нестационарном режиме теплового нагружения
(при тепловых ударах).
Непосредственное наблюдение за
изменением показаний приборов в
процессе эксплуатационных режимов
позволяет судить о темпе режима, об
интенсивности изменения исследуемых
параметров; выявлять в исследуемом
оборудовании зоны наибольшей на-
груженности; следить за ходом режима
и при необходимости оперативно
вносить соответствующие
изменения.
Для измерения статических и
квазистатических деформаций
используют цифровые измерительные
приборы ИДЦ-1, тензометр ические
системы ТК-80, СИИТ-2, СИИТ-3 и
др. Для измерения деформаций при
быстропротекающих тепловых
процессах применяют аналоговые приборы
типа КСМТ, а также многоканальные
осциллографы типа НО.43 с
усилителями, типа УТ-10, 8АНЧ-23 и др.
Динамические деформации измеряют
с помощью осциллографов с усилите-

Испытания и проверка элементов системы натурной тензометрии ]Q5
Тензорезисторы
термопары
тгГТ
H^V ' f—I
Рис. 12 . Структурная схема передвижного информационно-измерительного комплекса:
/ — натурный объект; 2 — жаростойкие провода: 3 — промежуточные клеммные
устройства; 4 — кабели; 5 и 6 — тензо- и термокоммутаторы; 7 — кабель управления; 8 и 9 —
аналоговая тензо- и термоаппаратура; 10 — цифровая тензо- и термоаппаратура; 11 —
отметчик времени; 12 — пульт управления; 13 — перфоратор; 14 — ЭВМ
лями типа УД-20М (разработки
ИМАШ) и др. Температуры измеряют
с помощью потенциометров типа КСП,
цифровых гвольтметров Щ 68003,
светолучевых осциллографов типа
НО.43 и т. д. (см. также гл. 4).
При проведении тензометр ических
исследований на натурных объектах
используют сложную измерительную
аппаратуру, на установку и наладку
которой на месте измерений требуется
значительное время. В связи с этим
сокращение подготовительного этапа
работ приобретает особо важное
значение. Во многих случаях
целесообразно иметь заранее смонтированный
и отлаженный передвижной
измерительный комплекс, который в
короткий срок можно перебазировать к
месту испытаний и подключить к
общей измерительной схеме на натурном
объекте, а основное внимание в
подготовительный период сосредоточить
на прбверке и отладке всех элементов
измерительного тракта. Такой
подход к проведению натурных
исследований повышает надежность
эксперимента и существенно сокращает время
подготовки системы тензометрии в
целом на натурном объекте.
В качестве примера на рис. 12
приведена структурная схема системы
тензометрии с вариантом размещения
тензометрической и термометрической
аппаратуры, ЭВМ и вспомогательных
устройств в передвижном
информационно-измерительном комплексе
(информационно-измерительную систему
см. в гл. 4), подготовленном на базе
автобуса ЛАЗ-695Е. Комплекс
оснащен аппаратурой, позволяющей
проводить измерения как статических, так
и динамических деформаций, и
обеспечивает на натурном объекте с
использованием ЭВМ типа СМ-1 или
СМ-4 или других малых
транспортабельных ЭВМ обработку результатов
измерений.
ИСПЫТАНИЯ И ПРОВЕРКА
ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ НАТУРНОЙ
ТЕНЗОМЕТРИИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ
И ПРОВЕДЕНИИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Необходимая достоверность
результатов натурной тензометрии
обеспечивается, если до измерений, в
процессе измерений и после их
проведения соответственно в лабораторных
условиях, на стендах и на натурном
объекте выполняются контрольные
проверки и исследования характеристик
отдельных элементов системы
натурной тензометрии с учетом особенностей
напряженного состояния
конструкций, режимов и условий испытаний.
Методика проверки. До установки на
натурную конструкцию основные,узлы
и элементы системы тензометрии, а
при особой необходимости в
сокращенном объеме система в оборе должна

Ю6 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
У г*—
3
Рис. 13. Стенд-тренажер для испытаний системы тензометрии (/ = 450 °С; е = 0,2 %;
влажная среда):
/ — установка для нагрева и задания деформаций; 2 — первичные преобразователи
с герметичной защитой; 3 — соединительные линии в защитных трубках; 4 —
компенсирующая петля; 5 — клеммное устройство; 6 — кабельные линии; 7 — передвижной
информационно-измерительный комплекс; 8 — деталь; 9 — схема подключения в клемм-
ном устройстве компенсационного тензорезистора в качестве «свидетеля»
пройти всестороннюю проверку на
стендах в условиях, близких к
эксплуатационным. Сложной задачей при
испытаниях является создание
нагрузок, соответствующих натурным,
особенно при одновременном действии
давления и высокой температуры.
Часто в лабораторных условиях
испытание элементов и узлов на стадии
макетирования возможно только при
действии или давлении, или
температуры. Для этого используются
лабораторные стенды или нагрузочные
устройства, предназначенные для
предварительных испытаний при
раздельных видах нагружения. Однако из
опыта подготовки к измерениям
следует, что этого недостаточно и
необходима проверка элементов и узлов
системы тензометрии на
специализированных лабораторных или
заводских стендах, обеспечивающих при
рабочих параметрах испытания при
одновременном действии давления,
высоких температур и других видов
нагрузок. Например, при проверке перед
установкой на натурную конструкцию
герметичности элементов тензометрии
внутрикорпусных устройств реактора
ВВЭР-440 на заводском стенде при
рабочих параметрах (давление в
контуре 15 МПа, температура 280 °С,
до 5—10 теплосмен) были обнаружены
дефекты в двух из 25 подготовленных
к установке элементах, системы
тензометрии, хотя предварительно в
лабораторных условиях последние
прошли тщательную проверку на
действие давления, но без нагрева.
Основные узлы испытывают отдельно
на стадии разработки и изготовления
макетов, а также после изготовления
образцов до установки на натурную
конструкцию. При испытаниях
определяется надежность работы узла в
натурных условиях, возможность
установки и основные характеристики,
которые необходимы для оценки
точности полученных результатов.
Например, для защитных устройств тен-
зорезисторов необходимо проверить:
технологичность установки на
конструкции; обеспечение защиты
измерительной точки (тензорезисторов) в

Испытания и проверка элементов системы натурной тензометрии №7
потоке теплоносителя в условиях
совместного действия давления и
температуры на весь срок натурных
испытаний; тепловую инерционность.
При испытаниях система тензометрии
в целом реализуется в виде стенда-
тренажера (рис. 13), содержащего
основные узлы системы, которые
находятся в условиях, близких к
натурным. На тренажерах решаются
следующие задачи: проверка
надежности измерительной системы в
условиях длительной совместной работы
всех узлов; отработка методики
измерений и обработки результатов;
отработка технологии монтажа и наладки
системы; выявление возможных
погрешностей и влияющих факторов для
внесения соответствующих поправок
при обработке результатов измерений.
При работе тренажеров также
ставится задача по подготовке испытателей
к измерениям с учетом всех
особенностей измерительной системы.
Проверка перед измерениями
характеристик установленных тензорези-
сторов и термопар. При подготовке
к натурным измерениям
энергетического оборудования тензорезисторы и
термопары на исследуемых узлах
конструкции устанавливают в процессе
их монтажа задолго до начала
эксплуатации оборудования. Период
времени, в течение которого проводят
заводские и наладочные тепловые
испытания, для некоторых типов
оборудования может составлять несколько
лет. В связи с этим оценка перед
натурными исследованиями возможного
изменения метрологических
характеристик установленных
первичных преобразователей является
важной для повышения достоверности
результатов измерений; при этом
основным методом является аппаратурный
контроль за показаниями тензорези-
сторов — свидетелей.
Другой применяемый метод
заключается в том, что при возможности
часть тензорезисторов — свидетелей
и термопар перед натурными
измерениями снимают с исследуемого
оборудования, и в лабораторных
условиях вновь определяют их
чувствительность и температурные
характеристики.
Результаты контрольной проверки
температурных характеристик
тензорезисторов (компенсационных) —
свидетелей типа НМП-430,
установленных на узлах энергетического
оборудования и прошедших циклы
заводских и наладочных испытаний в
течение пяти лет от установки системы
тензометрии до начала
эксплуатационных испытаний, приведены в
табл. 9 [14]. Длительность
воздействия температур на тензорезисторы и
термопары за весь период монтажа и
наладки составила:
U °С . . 100— 151— 201— 251—
150 200 250 280
Время, ч 90 145 40 75
Результаты определения значений
температурных характеристик в
интервале температур от 20 до 300 °С
для группы тензорезисторов,
установленных на натурной конструкции
и прошедших тепловые испытания
в течение пяти лет (||), и для группы
тензорезисторов из той же партии,
но хранившихся в течение этого
времени в лаборатории, приведены в
табл. 9.
Как следует из полученных данных,
температурные характеристики
тензорезисторов в обеих группах за пять
лет заметно снизились, что произошло
вследствие процессов старения
элементов тензорезисторов. Процессы
старения более интенсивно протекают у
тензорезисторов, установленных на
натурной конструкции, которая
неоднократно подвергалась тепловым
испытаниям.
Однако проверка температурных
характеристик полумостов, составленных
из снятых с исследуемого оборудования
тензорезисторов, показала, что они
имеют такие же значения, как и
начальные температурные
характеристики полумостов, установленных на
натурной конструкции. Это указывает
на то, что при тензометрических
исследованиях энергетического
оборудования с длительным циклом
изготовления, наладки и пуска в эксплуатацию
необходимо применять полную
схемную температурную компенсацию. В
случае раздельной компенсации рядом
с рабочим тензорезистором необхо-

108 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
9. Изменение температурных характеристик тензорезисторов,
прошедших тепловые испытания на натурной конструкции,
и тензорезисторов, хранящихся в лаборатории
i
4) i
но
О. Я
S 4>«
о с».
1
2
3
4
5
6
Средние
значения
tf
9720
9650
9660
9680
9610
9600
9650
tf
9180
9050
9120
9060
8860
9000
9040
АЕ
—540
—600
—540
—620
—750
—600
X
4) i
н О
(XX
2 о>»
о о.
к 8 2.
1
2
1 3
4
5
6
1
tf
9680
9680
9520
9520
9650
9640
tf
9380
9460
9190
9380
9470
9350
АЕ
—300
—220
—330
— 190
— 180
—290
X
4) i
н2
о
as
4> (П*
s s*
о <ь
eSS.
7
8
9
10
11
12 .
—610 I Средние значения по 12 тен-
зорез
исторг
ш
11
9600
9610
9550
9740
9450
9750
9620
11
9400
9450
9370
9460
9130
9580
9370
М
—200
— 160
—180
—280
—320
—170
—250
* Тензорезисторы установлены на натурной конструкции.
** Тензорезисторы, хранящиеся в лаборатории.
Примечание. 5? и |^ — значения температурных характеристик
тензорезисторов после изготовления и через пять лет.
10. Отклонения показаний термопар, прошедших тепловые испытания
на натурной конструкции, от контрольных
Номер
термопары
1
2
3
4
5
Средние
значения
Отклонения показаний термопар (мВ) при температурах, °С
25
+0,02
+0,015
0
—0,005
—0,01
+0,006
100
+0,008
+0,008
+0,008
—0,017
—0,007
0
160
—0,007
—0.012
—0,012
+0,008
+0.013
—0,005
240
+0,033
+0,063
+0,018
+0,008
—0,027
+0,02
320
—0,05
—0,02
0
—0,02
—0,02
—0,02
400
0,032
+0,007
—0,018
—0,028
—0,048
+0,01
димо устанавливать тензорезистор —
свидетель, по которому оценивают
изменение температурной
характеристики рабочего тензорезистора с целью
внесения соответствующих поправок
при обработке результатов измерений.
Проверка точности показаний хро-
мель-алюмелевых термопар,
находящихся в течение пяти лет, как
показано выше, на натурном
оборудовании, проведена путем сравнения с
показаниями неустановленных термопар
из той же партии проволоки,
изготовленных одновременно с
установленными на оборудовании и прошедших
предварительную проверку. В табл. 10
приведены значения отклонений
показаний термопар, препарированных с

Испытания и проверка элементов системы натурной тензометрии ]09
Y//7 -6.
10
20
7 8 9
30 z,c
Рис. 14. Схема установки для воспроизведения нестационарной температуры на
поверхности пластинки (детали) (а); изменения показаний различных типов термодатчиков
(термопар) при нагреве со скоростью 6 °С/с (б)
оборудования, от неустановленных
(контрольных) термопар.
Проведенный по полученным
данным анализ точности показаний
хромель- алюмелевых термопар, длительно
находящихся в условиях тепловых
испытаний натурной конструкции,
показал их соответствие ГОСТу.
Рассмотренный пример подтверждает
возможность использования термопар
типа хромель-алюмель (X—А) при
длительном (около пяти лет) этапе
заводских, пусконаладочных и
эксплуатационных • тепловых испытаний
энергетического оборудования.
Определение характеристик
термопар, установленных для измерения на
внутренней поверхности корпусов.
Точность измерения быстро
изменяющихся температур поверхности стенки
корпусов энергетического
оборудования, омываемых теплоносителем,
движущимся с большой скоростью,
зависит от многих факторов, в том числе
от таких, как теплофизические
свойства исследуемого тела и
термоприемника, расположение и способ
крепления спая, форма последнего и размер
и др. [23]. В работе [9, с. 35] показана
экспериментальная методика
количественной оценки погрешности
измерения температуры поверхности стенки,
омываемой рабочей средой, а также
определения зависимости этой
погрешности от скорости изменения
поверхностной температуры.
На рис 14, а приведена схема
установки, которая обеспечивает создание
скоростей изменения поверхностной
температуры, близких к тем, которые
реализуются, например, в натурной
конструкции паровой турбины.
Термодатчики некоторых конструкций
устанавливают на металлических
пластинках размером 50X35X3 мм, по-
. крытых с одной стороны слоем
теплоизоляции для того, чтобы обеспечить
теплообмен рабочей среды только с
поверхностью пластинки с
установленными термодатчиками. Пластинка 5
с термопарами 4 крепится к штоку 3,
перемещение которого в вертикальном
направлении в подшипнике
скольжения 7 позволяет опускать эту
пластинку в сосуд с рабочей средой 6.
Подшипник 7 жестко соединен с валом 2,
приводимым во вращение
электродвигателем /. Частота вращения вала
варьируется от 75 до 150 об/мин.
Регистрируют температуру одноточеч-

ПО МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Рис. 15. Зависимости погрешностей
измерений поверхностной температуры от
скорости ее изменения
ными приборами типа КСП-4. Рядом
с исследуемыми термодатчиками
устанавливают контрольные термопары, по
которым определяют действительную
температуру поверхности. Для этого
на пластинке устанавливаются две ма-
логабар итные термопары 7 (р ис 14, б);
спай одной из них приваривают к
поверхности пластинки Р, спай другой
крепят в углублении (на толщину
спая) и покрывают слоем
теплоизоляции 8. Поскольку конструктивно
обе термопары выполнены одинаково
и имеют одни и те же теплофизические
свойства, то при такой установке
первая термопара показывает при
нагреве температуру выше
действительной температуры поверхности,
вторая — ниже. Действительная же
температура должна находиться в
интервале между показаниями первой и
второй термопары (кривые 1 и 2).
За истинную температуру поверхности
принимают среднюю величину
показаний двух термопар. При этом
погрешность определения истинной
температуры поверхности пластинки,
например, для скорости изменения
поверхностной температуры около
6°С/мин, не превышает 1,5 °С.
Погрешность измерений, характерную для
данного типа термодатчика,
определяют как максимальную разность
между показаниями исследуемого
термодатчика и истинной температурой
поверхности пластинки.
На рис. 14, б показаны изменения
показаний нескольких типов
термодатчиков при нагреве пластинки со
скоростью около 6 °С/с. Как следует
из приведенных кривых, в
зависимости от конструкции термодатчика и
способа его установки может
изменяться не только величина
погрешности, но и ее знак. Так, например,
термопара в чехле 0 3 мм, плотно
прижатая к поверхности пластинки
с помощью приваренной скобки, дает
при данной скорости разогрева
пластинки завышенные показания
(кривая 4), отличающиеся от истинной
температуры поверхности, в то время
как погрешность измерения с помощью
малоинерционной термопары в чехле
0 2 мм, спай которой
непосредственно приварен к телу пластинки, не
превышает 3 °С (кривая 3). На
рисунке приведены также кривые 5
и 6 изменения показаний термопар,
встроенных в герметизированные
малоинерционные тензодатчики (гермотен-
зодатчики), приваренные к телу
пластинки и установленные в специальных
направляющих. Из этих данных
следует, что при измерении деформаций
с помощью таких гермотензодатчиков
получаются заниженные результаты,
потому что температура приваренного
(рабочего) гермотензодатчика «отстает*
от температуры неприваренного
(компенсационного). Используя
полученные кривые, оценивают погрешность
измерений деформаций для данной,
скорости изменения температур и
вводят соответствующие температурные
поправки в результаты измерений.
На рис. 15 приведены найденные
зависимости погрешностей измерения
поверхностной температуры от скорости
ее изменения для трех типов термопар.
Так, термопара в чехле 0 3 мм
(кривая 1) обладает высокой надежностью
и ее можно применять при длительных
измерениях, если скорости изменения
поверхностных температур не
превышают 0,5 °С/с; погрешность измерения
при этом не превышает 5 °С. Хорошими
динамическими свойствами обладает
термопара в чехле 0 2 мм (кривая 3),
спай которой приваривают
непосредственно к телу конструкции.
Погрешность измерения такой термопары не
превышает 3—5 °С при скоростях
изменения поверхностной температуры до
12°С/с. Для термопары, встроенной

Испытания и проверка элементов системы натурной тензометрии Ц\
в гермотензодатчик, получена
зависимость 2.
Определение инерционных
характеристик разработанных термопар до
измерений и оценка погрешностей
измерения поверхностной температуры
в условиях, близких к тем, в которых
проводят натурные измерения,
повышают надежность результатов
натурных тензометр ических исследований
внутренних поверхностей стенок
корпусов энергетического оборудования
при нестационарных режимах работы
(пуски, эксплуатационные или
аварийные остановы оборудования).
Оценка влияния защитных
устройств тензорезисторов и термопар на
результаты измерений. Исследуемая
деформация е в связи с наличием
защитных устройств (см. рис. 7), как
правило, отличается от измеренной
деформации еи на величину местных
деформаций Ае:
е= еи + Ае. (1)
Местные деформации Ае
обусловлены ужесточающим влиянием тензо-
резистора и его защитного устройства
на деталь (Аеж), а также влиянием
тензорезистора и защитного
устройства на температурное поле детали
(Ае/) в зоне измерений, т. е. ,
Ае = Аеж + Ае/. (2)
Величина Аеж зависит от
соотношения жесткостей тензор езистор а с
защитным устройством и исследуемой
детали и. определяется в каждом
конкретном случае путем моделирования
на тензометр ических или поляр иза-
ционно-оптических моделях или же
расчетом. Анализ имеющихся данных
показывает, что для примененных
защитных устройств (например, типа г
на рис. 7) влияние от ужесточения
поверхности корпуса турбины
составляет около 5 % от измеряемой
деформации.
Местные деформации Ае*,
обусловленные влиянием тепловой
инерционности защитных устройств и, как
следствие, искажением температурного
поля в месте измерения, зависят от
конкретных условий измерений,
конструкции защитного устройства и
определяются стендовыми испытаниями
моделей или расчетно-экспериментальным
t,c°
2W
220
Рис. 16. Распределение температуры на
поверхности стенки под защитным
устройством:
/ — защита тензорезистора; 2 — тензоре-
зистор
путем с использованием данных по
измеренным фактическим
температурам натурного объекта в зоне установки
тензорезистора [13].
Определение влияния тепловой
инерционности установленных защитных
устройств для первичных
преобразователей и, соответственно, определение
поправок к результатам измерений
с учетом реальных условий испытаний
является важной задачей для натурной
тензометрии внутренних поверхностей
при нестационарных режимах
эксплуатации.
Температурное поле в стенке
корпуса в зоне влияния защитного
устройства определяется
экспериментально с помощью термопар,
установленных на внутренней поверхности, и по
толщине стенки натурного корпуса
в специально высверленных глухих
отверстиях. В корпусах
энергетического оборудования рассверливание
большого числа отверстий
представляет собой трудоемкий процесс и
в ряде случаев недопустимо.
Результаты исследований на металлических
моделях и натурной конструкции
показывают, что распределение температур
под защитным устройством имеет
плавный характер на базе тензорезистора
(рис. 16), особенно в начальный
момент разогрева или остывания стенки,
когда чаще всего возникают наиболь-

112 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ ''
б,МПа
200
Рис. 17. Напряжения на внутренней
поверхности стенки корпуса цилиндра
высокого давления при пуске турбины
шие деформации (напряжения), а
среднее напряжение на базе тензорезистора
незначительно отличается от
деформации (напряжения) в стенке, в центре
защитного устройства. Это
значительно уменьшает требуемый объем
информации по температурам, необходимый
для расчета поправки на тепловую
инерционность защитного устройства.
Для этого достаточно знать
распределение температур по толщине
стенки в направлении оси защитного
устройства и вне зоны его влияния.
Опыт натурных исследований и
статистическая обработка результатов
измерений деформаций и температур на
внутренней поверхности стенки
корпусов энергетического оборудования
показывают, что приближенная
оценка местных деформаций Ае/ на базе
тензор езистор а при наличии защитных
устройств, например, для устройств
цилиндрической формы (см. рис. 7, г),
Ае, = са At, (3)
где Af — разность температур детали
на базе тензорезистора под защитным
устройством и вне зоны действия
защитного устройства; а —
коэффициент линейного расширения детали;
с — эмпирический коэффициент. При
защитном устройстве типа г на рис. 7
с— 1,1 -~ 1,2. Формула (3)
практически позволяет оценить погрешность
измерений, обусловленную влиянием
защиты тензорезистора, когда
сверление стенок корпусов для установки
термопар по толщине стенки
недопустимо.
На рис. 17 как иллюстрация к
изложенной методике оценки влияния
тепловой инерционности защитного
устройства на напряжения (деформации)
в исследуемой точке, полученные по
установленным тензорезисторам,
приведены кривые напряжений для одного
из пусков паровой турбины при
применении тензорезисторов с защитным
устройством (тип г на рис. 7) на
внутренней поверхности корпуса:
кривая / построена по данным измерений
без введения поправки; кривая 3 —
с поправкой и кривая 2 по данным
примененных малотеплоинерционных гер-
мотензодатчиков. Из сравнения
кривых 2 и 3 следует, что различие
полученных значений напряжений не
превышает 10 %.
Проверка системы тензометрии после
проведения измерений. После
окончания натурных измерений оборудования
в процессе демонтажа системы
тензометрии выборочно выполняют
контрольную ревизию и проверку
состояния отдельных узлов системы. Объем
этих работ и контролируемых узлов
определяется в каждом случае в
зависимости от того, демонтируется ли
система тензометрии полностью или
частично (в случае, если
энергетическое оборудование после испытаний
включается в эксплуатацию). При этом
основное внимание обращается на
контрольную проверку следующих
факторов:
соответствия характеристик
измерительных приборов паспортным и их
состояние;
состояния кабельных линий
(отсутствия повреждений в изоляции и в то-
копроводящих жилах);
правильности соединения кабелей и
соединительных проводов в
соответствии с маркировкой в клемм ных

Проведение измерений при испытаниях и обработка результатов ИЗ
устройствах, в коммутаторах и к
приборам;
правильности установки
тензорезисторов и подсоединения их в схеме
измерительного полумоста (рабочих и
компенсационных тензорезисторов);
установки термопар, уточнения
координат измерительных точек.
При возможности компенсационные
тензорезисторы и тензорезисторы —
свидетели, установленные в
измерительных точках, демонтируют для
проверки соответствующих характеристик
после испытания [14]. Опыт измерений
показывает, что ревизия и проверка
измерительной системы после
проведения испытаний позволяет повысить
достоверность результатов с учетом
того, что при напряженном темпе и
большом объеме подготовительных
работ до начала испытаний могут быть
допущены ошибки в сборке системы;
при испытаниях могут возникнуть
повреждения в измерительной системе,
которые в процессе испытаний не
всегда удается обнаружить.
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ
ИСПЫТАНИЯХ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ
Проведение натурных измерений.
При проведении измерений необходимо
выполнить подготовительные и
основные операции, которые зависят от
принятой системы натурной
тензометрии, примененной аппаратуры и
схемы обработки результатов. Об
измерениях и. обработке результатов при
непосредственном вводе информации
в ЭВМ подробно сказано в гл. 3—5
[8, с. 101].
При использовании приборов типа
ТК-80, КСП, КСМТ с накопителем
информации в виде перфоленты или
диаграммной бумаги подготовительные
операции включают в себя
маркирование диаграммной бумаги или
перфоленты с указанием номера прибора,
даты испытаний, их
продолжительности, название режима испытаний,
установку скорости протяжки диаграммной
бумаги, интервалов опроса, числа
циклов в одном опросе в зависимости от
режима и др. Основные операции при
измерениях включают запись —
регистрацию нулевых (начальных) и в
процессе испытаний рабочих состояний
с повторной записью нулевых
состояний после проведения режима.
При анализе записей нулевых
состояний имеется возможность оценить
надежность показаний каждой
измерительной точки по критериям «ухода
нуля». На всем этапе измерений
поддерживается постоянная связь
(телефонная или громкоговорящая) с
эксплуатационным персоналом
исследуемого объекта и ведется регистрация
основной информации о ходе
выполнения режима испытаний.
Нормальную работу аппаратуры
контролируют в соответствии с
техническими требованиями для конкретного
прибора. Например, исправность
тензометр ического прибора ТК-80 (см.
гл. 4) контролируют периодическим
опросом четырех контрольных
каналов, к которым подсоединены
термостатированные сопротивления по схеме
полумоста и сбалансированные при
двух положительных и двух
отрицательных значениях выходного сигнала,
близких к нулю и максимальному
значению (например, +50, +8500 и —50,
—8500).
Контроль первичных
преобразователей при измерениях. Нормальную
работу тензорезисторов и
соединительных линий контролируют
периодическим измерением сопротивления
тензорезисторов и сопротивления изоляции
линий.
Состояние тензорезисторов и
термопар в процессе измерений
контролируют по заранее выбранным
критериям:
для тензорезисторов х ^ ek/M,
где х — отсчет по прибору; е —
предполагаемый уровень измеряемых
деформаций; k—чувствительность;
М — номинальная цена единицы
наименьшего разряда прибора;
для термопар t ^ /р,
где /— температура по прибору; /р —
наибольшая предполагаемая рабочая
температура натурного объекта.
В процессе натурных измерений
стабильность характеристик
тензорезисторов и гермотензодатчиков и
показаний термопар контролируют в
условиях тепловых нагрузок при эксплуа-

114 МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
тационных испытаниях. Наблюдение
ведут за показаниями тензорезисторов
в измерительных точках, а также по
тензор езисторам — свидетелям,
установленным в зонах оборудования с
максимальными температурами. В
программах испытаний предусматривают
проведение на различных этапах
измерений соответствующих тестов для
контроля и проверки состояния узлов
системы тензометрии.
Так, например, при натурных
тензометр ических исследованиях корпусов
цилиндров высокого и среднего
давления паровой турбины типа К-200-130
в процессе измерений контрольные
наблюдения за всеми установленными
термостойкими тензорезисторами
проводили непрерывно в течение восьми
суток при восьми теплосменах. При
этом из 100 установленных тензорези-
сторов значительный уход нулей был
зарегистрирован у трех полумостов,
который имел место в основном при
первом цикле разогрева турбины [15].
Установленные на натурной
конструкции тензорезисторы — свидетели
составляют измерительные полумосты из
рабочих (приваренных) и
компенсационных (в «салазках»),
смонтированные на свободно деформирующихся
пластинах, изготовленных из
материала исследуемого оборудования и
прикрепленных (приваренных в одной
точке) к нему. Температуру пластин
и тензорезисторов контролируют по
тер мол арам.
По показаниям измерительных
полумостов — свидетелей контролируют
разностную характеристику
термостойких тензорезисторов в течение всего
времени испытаний, и при обнаружении
изменений вносят соответствующие
поправки для обработки результатов
натурных измерений.
Этапы обработки результатов
измерений. В общем случае обработка
результатов измерений состоит из трех
этапов: первичной, промежуточной и
окончательной. На этапе первичной
обработки результатов измерений
осуществляют извлечение из выходного
сигнала тензорезистора
информативной составляющей, перевод показаний
измерительных приборов в значение
соответствующих измеряемых
деформаций и определяют по ним напряжения
в измерительных точках исследуемой
конструкции.
При использовании в процессе
измерений деформаций аналоговых
приборов (самописцев или осциллографов)
первичная обработка результатов
включает в себя синхронизацию кривых на
диаграммных лентах или
осциллограммах; «привязку» кривых к номерам
измерительных точек, тензорезисторов
и термопар; выбор начальных
состояний, относительно которых следует
обрабатывать текущие значения
показаний приборов; кодирование
первичной информации на перфоленту,
магнитную ленту или магнитный диск;
машинную обработку подготовленной
информации по соответствующим
программам с выдачей первичных данных
(максимальных значений напряжений,
температур в измерительных точках,
основных параметров натурного
объекта и т. п.).
При использовании в процессе
измерений деформаций цифровых
приборов с непосредственной передачей
информации в ЭВМ или выводом ее
на промежуточный накопитель
(перфоленту, магнитную ленту и т. п.)
первичную обраббтку выполняют
автоматически по соответствующим
программам. Применение цифровых приборов
типа ТК в комплексе с ЭВМ позволяет
получать результаты в ходе
эксперимента, оперативно оценивать текущее
состояние натурного объекта и влиять
на ход эксперимента (подробнее см.
также гл. 4 и 5 [8; с. 101; 10]).
Программы для машинной
обработки результатов измерений
учитывают особенности конкретного
натурного эксперимента и составляются в
соответствии с общим алгоритмом
обработки результатов натурных
тензометр ических исследований
энергетического оборудования.
На промежуточном этапе обработки
результатов измерений оценивают
погрешности результатов натурного
эксперимента с проведением
дополнительных лабораторных и стендовых
исследований для уточнения составляющих
погрешности эксперимента, которые
не могли быть определены при
планировании эксперимента и в процессе,
натурных измерений [7; 11].

Проведение измерений при испытаниях и обработка результатов ||5
На этапе окончательной обработки
результатов измерений проводят
анализ полученных данных.
Устанавливают связь между полученными
значениями напряжений и
конструктивными особенностями натурного
объекта, напряженным состоянием
конструкции и эксплуатационными
режимами, максимальными значениями
напряжений и характерными
разностями температур объекта.
Подготавливают материал для оценки
прочности натурного объекта и уточнения
ресурса эксплуатации с учетом
реальной нагруженности (по данным
тензометрии).
Определение деформаций в
исследуемой точке по показаниям тензорезисто-
ров. При воздействии в процессе
измерений на тензорезистор температуры
и других влияющих факторов
деформацию определяют (см. гл. 2) по формуле:
где £ и £н — соответственно выходной
сигнал и суммарная неинформативная
составляющая выходного сигнала; Ф/—
значение функции влияния
температуры на чувствительность
тензорезистор а при данной температуре.
Структура и значение
неинформативной составляющей выходного
сигнала тензор езистор а £н обусловлены
конкретными условиями измерений
(воздействием влияющих факторов) и
принятой схемой измерений (способом
термокомпенсации) и т. д. (см. гл. 3).
При измерениях статических
деформаций (стационарный режим) |н
представляется выражением
£н = U + £п + £д,
где £t — температурная
характеристика установленного на объект тен-
зорезистора; £п и Ед —
неинформативные составляющие выходного
сигнала тензор езистор а, связанные с
ползучестью тензор езистор а и дрейфом
выходного сигнала.
При измерениях деформаций в
условиях нестационарной работы
оборудования суммарная неинформативная
составляющая £н получает
приращение 6£/ и представляется выражением
Ен = (Б| + вБ«) + 6п + Ед,
где 6%t — температурное приращение
сопротивления тензор езистор а,
обусловленное разностью температур
детали и тензор езистор а
(предполагается, что температуры чувствительного
элемента и подложки тензор езистор а
одинаковы) [8, с. 151].
При компенсации температурного
приращения сопротивления рабочего
тензор езистор а с установкой
компенсационного тензорезистора на
исследуемом оборудовании рядом с
рабочим («схемная» компенсация)
структура неинформативной составляющей
представляется формулой:
А|н = ДБ* + Л6£* + Д£п + Л£д,
где Д|/ = ltv — |/к — поправка на
разность значений температурных
характеристик установленных рабочего
и компенсационного тензорезисторов;
A6£f — поправка, учитывающая
разность температурных приращений
сопротивлений рабочего и
компенсационного тензор езисторов, обусловленных
влиянием нестационарных тепловых
полей; A£n — поправка,
обусловленная ползучестью рабочего и
компенсационного (если он приварен или
приклеен) тензор езисторов; Д|д —
поправка, обусловленная дрейфом
выходных сигналов рабочего и
компенсационного тензорезисторов.
Если компенсационный
тензорезистор находится в свободном состоянии,
то вместо Д£п следует подставлять
в формулу £гь т. е. неинформативную
составляющую, связанную с
ползучестью рабочего тензор езистор а. При
этом следует иметь в виду, что
поправки, обусловленные ползучестью
тензорезисторов, практически можно
вследствие их малости не учитывать
при недлительных натурных
измерениях. Действительную ползучесть
тензорезистор а определяют на
специальном оборудовании по данным натурных
исследований с учетом реальной
нагруженности натурного объекта.
Если в процессе натурных
испытаний тензор езисторы подвергают
воздействию радиации, то при обработке
результатов измерений необходимо
внесение поправок на изменение их
метрологических характеристик (см.
гл. 2). При этом поправки на измене-

/
Ив МЕТОДИКА И ТЕХНИКА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
ние характеристик определяют с
учетом показаний тензорезисторов —
свидетелей (или компенсационных тензо-
резисторов), устанавливаемых, как
показано выше, на объектах измерений
в местах расположения рабочих
тензорезисторов [4 ].
При применении схемной
компенсации выражение (4) принимает вид:
Погрешность натурных измерений
оценивают в соответствии с
методическими указаниями МИ 1347—86
«Методика определения погрешности
измерений деформаций проволочными и
фольговыми тензорезисторами». При
наличии в измерительной схеме тензо-
р езисторов — свидетелей
окончательно погрешность результатов измерений
оценивают с учетом показаний этих
тензорезисторов, находящихся в
реальных условиях эксплуатации
натурного объекта.
Определение главных деформаций и
напряжений. Деформации в
исследуемых точках детали определяют по
результатам показаний
тензорезисторов и с учетом местных деформаций,
обусловленных влиянием защитных
устройств тензорезисторов, с
использованием зависимостей (1)—(5).
Главная деформация еь е2 и
главные напряжения оъ о2 в
измерительных точках определяют с
использованием формул, приведенных в
приложении 1.
Погрешности определения
напряжений по результатам измерений
оценивают по формуле:
5аЬ2=У (1-^2)2 (5вка +
, о2 * ч_|_(£1. 2+^2, l)2 о2 , "*
"*"' Jg»[2|ielt> + 0+Иа)е2~П\7^
~*~ (1-ц2)2
X 52,
где S. — погрешности определения
В1. 2
главных деформаций г± и е2; Se и
5ц — погрешности определения
модуля упругости и коэффициента
Пуассона
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белоруссов Н. И., Саакян А. Е.,
Яковлева А. И. Электрические кабели,
провода и шнуры: Справочник. М.:
Энергия, 1979. 416 с.
2. Васильев А. А., Бусыгин А. И.,
Дайчик М. Л., Пригоровский Н. И.
Методы и средства тензометрии конструкций
реакторов на стендах и в
эксплуатационных условиях//Исследование напряжений
и прочности корпуса реактора. М.: Атом-
иэдат, 1968. С. 228 — 240.
3. Голованов О. Г., Городов Г. Ф.,
Маслов С. В. Хуршудов Г. X.
Тензометрия узлов теплообменника
энергетической установки в начальный период
эксплуатации//Методы исследования
напряжений в конструкциях
энергетического оборудования. М.: Наука, 1983.
С. 144—151.
4. Ильинская Л. С, Людмирская О. Б.
Поляков А. Л., Фетисов Б. В.
Особенности тензометрирования в условиях
нейтронного облучения//Экспериментальные
методы исследования деформаций и
напряжений в конструкциях. М.: Наука, 1977.
С. 11-18.
5. Исследования напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И. Пригоров-
ского. М.: Наука, 1980. 119 с.
6. Кабыстина Г. Ф. Обмоточные
провода с волокнистой изоляцией и
технология их производства. М.: Энергия, 1976.
105 с.
7. Клокова Н. П. Метрологические
характеристики тензорезисторов и оценка
погрешности измерения деформаций//Из-
мерительная техника. № 5. 1978. С. 32 — 38.
8. Методы исследования напряжений
в конструкциях энергетического
оборудования/Под ред. Н. И. Пригоровского. М.:
Наука, 1983: 180 с.
9. Методы исследования напряжений
в конструкциях/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Наука, 1976. 131 с.
10. Николаев А. К., Розенберг В. М.
Сплавы для электродов контактной сварки.
М.: Металлургия, 1978. 95, с.
11. Пригоровский Н. И. Методы и
средства определения полей деформаций
и напряжений: Справочник. М.:
Машиностроение, 1983. 248 с.
12. Прочность конструкций при
малоцикловом нагружении/Под ред. Н. А. Ма-
хутова. М.: Наука, 1983. 270 с.

Список литературы
117
13. Сенин В. С, Хуршудов Г. X.
Измерение напряжений на внутренней
поверхности корпуса паровой турбины
при ее работе//Экспериментальные
исследования и расчет напряжений в
конструкциях. М.: Наука, 1975. С. 143—149.
14. Сергеев А. И., Васильев А. А.,
Хуршудов Г. X. Влияние времени на
метрологические характеристики тензоре-
зисторов и термопар в условиях натурной
тензометрии энергетического оборудова-
ния//Методы исследования напряжений
в конструкциях. М.: Наука, 1976. С.
31—35.
15. Сенин В. С, Хуршудов Г. X.
Напряжения в корпусных деталях
паровых турбин//Исследование напряжений . в
конструкциях. М.: Наука, 1980. С. 88 — 94.
16. Справочник по пайке/Под ред.
И. Е. Петрунина. М.: Машиностроение,
1984. 398 с.
17. Тензоиэмерения барабанов котлов
высокого давления в условиях эксплуа-
тации/Н. А. Зезюкин, Н. И. Пригоров-
ский, Ю. К. Михалев и др.//Исследование
температурных напряжений. М.: Наука,
1972. С. 157—168.
18. Тензометрические исследования
натурной конструкции корпуса реактора/
М. Л. Дайчик, Ю. К. Михалев, Н. И. При-
горовский и др.//Исследование и расчет
напряжений. М.: Наука, ,1966. С. 56 — 92.
19. Тензометрия в машиностроении/
Под ред. Р. А. Макарова. М.:
Машиностроение, 1975. 287 с.
20. Уйк Г. К. Тензометрия аппаратов
высокого давления. Л.: Ленинградское
отделение. Машиностроение, 1974. 191 с.
21. Шахматов Д. Т.
Высокотемпературная тензометрия. Методики и тензоре-
зисторы. М.: Атомиздат, 1980. 126 с.
22. Экспериментальные методы
исследования деформаций и напряжений/Под
ред. Б. С. Касаткина. Киев: Наукова
думка, 1981. 583 с.
23. Ярышев Н. Я. Теоретические
основы измерения нестационарных
температур. М.: Энергия, 1967. 297 с.
24. David Т. J. Strain Measurements
on Steam Turbines//J. Experimental Mech.,
1971, N 3.

7 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ
ТЕНЗОМЕТРИИ
И ИХ РЕШЕНИЕ
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ,
ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ТЕНЗОМЕТРИЕЙ
Измерения линейных деформаций
вдоль базы тензометров в одном или
нескольких направлениях в
рассматриваемой точке или на контуре
сечения детали позволяют найти главные
деформации и их направления,
деформации сдвига, значения искомых
компонентов напряжений, усилия в
поперечных сечениях и прилагаемые
к детали нагрузки, а также
деформации упругих измерительных
элементов — перемещения точек детали.
Более полные сведения приведены в гл. 1.
Наиболее правильную и полную
информацию о
напряженно-деформированном состоянии и прочности
сложных конструкций получают с помощью
расчетно-экспериментальных
комплексов исследования, в которых искомые
результаты достигаются при
сочетании экспериментального исследования
и численного расчета (см. гл. 8).
Измерения деформаций по точкам
являются основными в натурной
тензометрии. Для определения главных
направлений и значений главных
напряжений в рассматриваемой точке
поверхности детали, не
воспринимающей контактную нагрузку,
устанавливают два (направления главных
деформаций известны) или три (главные
направления неизвестны) тензорези-
стора (см. приложение 1). При
определении напряжений на контуре
плоской детали возможны Два способа
установки тензорезистора, показанные
на рис. 1. Установка тензор езистор а
на боковой поверхности плоской
детали применяется в случаях, когда
торцовая поверхность занята другой
деталью или толщина детали
недостаточна для размещения тензорезистора,
а также если необходимо замерить
деформации от изгиба в плоскости,
перпендикулярной к боковой
поверхности. Установка тензорезистора на
боковой поверхности при определении
наибольшего напряжения может
приводить к большей погрешности, чем
установка на торцовой поверхности,
так как в первом случае градиенты
напряжений выше.
Деформация, измеренная тензоре-
зистором У, отличается от наибольшей
деформации в точке Л, измеренной
тензор езистором 2, в зависимости от
положения тензорезистора / по
отношению к этой точке. Для круговой
галтели в месте ступенчатого
изменения сечения плоской детали
наибольшие напряжения возникают в точке,
определяемой радиусом, наклоненным
под углом 10—15° в сторону галтели.
На рис. 2 представлена зависимость
обратной величины показания
тензорезистора от места его установки на
галтели. Чтобы получить наибольшую
деформацию, создаваемую в точке Л,
в зависимости от положения середины
базы показание тензорезистора с
базой s необходимо умножить на
коэффициент К. Поправочные
коэффициенты К в зависимости от sir
приближенно для 6 > hlr > 2 следующие:
s/r : . 3 2 1,6 1,2 0,8 0,4
К . . 1,6 1,4 1,26 1,20 1,17 1,14
Погрешность определения
наибольших деформаций при установке
тензорезистора на боковой поверхности
с расположением середины
тензорезистора в начале закругления при базе
s < 0,3г можно считать не более
обычно принимаемой при измерениях (5%).
По показаниям тензорезистора на
боковой поверхности наибольшее
напряжение на контуре с достаточной
точностью может быть
непосредственно определено лишь при весьма
малых размерах тензорезистора или если
известна зависимость между показа-

Механические величины, определяемые тензометрией Ц9
TV-r
1/7
Рис. 1. Тенэорезисторы на контуре
плоской детали
нием тензорезистора и наибольшим
напряжением на контуре. Определение
этой зависимости приведено в работе
[И].
В деталях из изотропного материала
направления главных деформаций и
напряжений совпадают. Главные
напряжения в рассматриваемой точке
могут быть выражены непосредственно
через приращения показании
тензометров, установленных в
направлениях главных деформаций (см.
приложение 1):
а= СА
при линейном напряженном
состоянии;
<*1 = С'А1 + СЬ2 и а2 = С'Д2 +
+ C*Ai
при плоском напряженном состоянии,
где С — постоянная тензометра,
определяемая градуировкой на образце
в виде балки из того же материала,
что и тензометрируемая деталь; С =
= С/(1 — у,2) и С = C(i/(1 — ц2) —
постоянные тензометра; А, Ах и А2 —
приращения показаний тензометра с
тензорезисторами, установленными в
направлениях определяемых
напряжений; \i — коэффициент Пуассона
материала тензометрируемой детали.
Способы установки тензорезисторов
в рассматриваемой точке при
различных случаях
напряженно-деформированного состояния приведены в
приложении I.
Силы и моменты в поперечных
сечениях детали в форме бруса определяют
с применением тензорезисторов,
расположенных соответствующим образом
10-15°
{а
щ
0
I I
-
В
11
'1
<; 1
Рис. 2. Зависимость показания тензоре-
зистора от места его установки на гал-
на поверхности детали. Зависимость
между показаниями тензор езистор а и
моментом или силой определяется
экспериментально путем градуировки
установленных на детали тензорезисторов,
так как расчетные формулы,
приводимые в табл. 7 приложения 1, следует
рассматривать как ориентировочные.
Эпюры внутренних усилий по длине
детали в форме бруса определяют по
усилиям, измеренным по крайней мере
в двух сечениях между узлами. По
усилиям в этих сечениях
подсчитывают усилия в концевых сечениях
стержня. В изгибаемых элементах
тенэорезисторы устанавливают на
наиболее удаленных от оси элемента
волокнах, где деформация, вызываемая
рассматриваемым изгибающим моментом,
имеет наибольшее значение. Если в
поперечном сечении детали в форме
бруса действуют продольная сила и
изгибающий момент одновременно, то
для определения в сечении отдельно
силы и момента устанавливают на
противоположных сторонах и равных
расстояниях от оси элементов два тен-
зорезистора: продольную силу
определяют по сумме показаний
тензорезисторов, изгибающий момент — по их
разности (с введением
соответствующих поправок). При действии осевой
силы N и изгибающих моментов Мх
и Му в двух главных плоскостях бруса
в рассматриваемом поперечном
сечении бруса (при распределении
деформаций в сечении по закону плоскости)
устанавливают три тензор езистор а с
базами вдоль бруса. При этом места их
установки не должны располагаться
на одной линии в поперечном сечении.

120 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
Момент кручения в поперечном
сечении вала. Для исключения влияния на
результаты измерений изгибающих
моментов и продольного усилия
устанавливают по крайней мере два
тензорезистора. Может быть применен и один
тензор езистор, устанавливаемый под
углом 45° к образующей скручиваемого
вала, если в этом же месте известно
среднее на длине базы нормальное
напряжение аср вдоль вала. В этом
случае
М„
1 +
1-
и-
ms
•А —
-аср] ,
где С= Mk/tcv\ тср — среднее на
длине базы касательное напряжение при
Мк; А — приращение показаний по
тензор езистор у, установленному под
углом 45°; т и s — масштаб и база
тензорезистора; Е и \i — модель
упругости и коэффициент Пуассона
материала скручиваемого вала.
Общий случай действия в сечении
стержня или вала шести усилий Qx
и Q2 (поперечные силы), N, Мх, Му
и Мк или приложения к детали
соответствующих им компонентов
нагрузки. Может быть подобрано
расположение на детали шести тензор езистор ов
для определения всех шести значений
усилий в сечении детали или
компонентов нагрузки. Предварительно
проводится градуировка детали на
каждое из единичных усилий; при этом
расположение тензорезисторов и их
базы для повышения точности
подбирают такими, чтобы приращения
отсчетов по каждому из них
вызывались преимущественно одним соответ-
ствующим усилием. По данным
градуировки и приращениям показаний
тензор езисторов при испытаниях,
используя зависимости для деформаций
в пределах пропорциональности,
определяют усилия (нагрузки),
воспринимаемые деталью [14].
ДЕФОРМАЦИИ УПРУГИХ
ЭЛЕМЕНТОВ
Измерение нагрузок (сил, моментов,
давлений, задаваемых перемещений)
в натурных конструкциях проводят
с применением тензорезисторных
преобразователей, чувствительным
элементом которых является упругий
элемент с установленными на нем
тензометрами, обычно тензорезисторами.
Упругим элементом может быть
непосредственно деталь исследуемой
конструкции или модели. Изменение
измеряемой величины создает
соответствующую деформацию упругого элемента
и тензорезистора. Основное условие
достижения высокой точности
измерений с применением тензометрических
преобразователей — это применение
упругих элементов из материала со
стабильной упругой характеристикой
(легированные стали, бериллиевая
бронза); при этом наибольшее напряжение
в упругом элементе не должно
превышать 30—50 % предела
пропорциональности. Зависимость между
показанием прибора и измеряемой
величиной находят путем градуировки
измерительной схемы.
Тензопреобразователи,
применяемые при натурной тензометрии. 1.
Динамометр со стержнем сплошным (при
растяжении) или полым (при сжатии)
2 1
*)
Рис. 3. Динамометр со стержнем:
а — устройство динамометра; б — схема включения тензореэисторов

Деформации упругих элементов
121
2 3
Рис. 4. Динамометр с упругим элементом
трубчатой формы (а) и в виде кольца (б)
ШЛ
WT-
")
w.s
*)
Рис. 5. Измерительное устройство с
изгибаемым упругим элементом:
а — измерение нагрузки -Р\ б —
измерение перемещения 6; 1 — балка; 2 и 3 —
тензорезисторы
(рис. 3): / и 2 — рабочие и
компенсационные тензорезисторы; 3 — упругий
элемент; 4—разъем проводов; 5 —
защитный кожух. Тензорезисторы
включают по приведенной схеме.
2. Динамометр при сжимающей
нагрузке (рис. 4, а): упругий элемент
с малым отношением длины к диаме-
Е
4 12
Ш
")
К^^Л^М
5
ш
„ 1
|Ч^ЧЧЧЧЧЧЧУ^
ttttttv
S)
ttttttt^
*)
Рис. 6. Тензопреобразователи давления
тру упругого элемента. Установка
тензорезисторов / и 2 внутри упругого
элемента обеспечивает их защиту от
влаги и механических повреждений.
В существующих образцах
динамометров измеряемые нагрузки — от 0,1
до 2000 кН.
3. Динамометр с упругим кольцом
(рис. 4, б): 1 и 2 — рабочие и
компенсационные тензорезисторы; 3 —
упругий элемент. Для кольца с постоянным
сечением Р = (UfiEW/D) г (сечение
по диаметру, перпендикулярному
нагрузке) и Р = (5,2EW/D) е (сечение
вдоль нагрузки); изменение диаметра
кольца AD = 0y037D*P/(EWt) —
в направлении нагрузки и AD =
= 0fi3W*P/(EWt) — в
перпендикулярном к ней направлении. Здесь
Е — модуль упругости материала
кольца; W — момент сопротивления его
сечения; t—толщина кольца.
Сила А Сила У
1у . Зу
Рис. 7. Устройство для измерения составляющих нагрузки

122 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
Рис. 8. Трехкомпонентный динамометр
4. Измеритель нагрузки с
изгибаемым упругим элементом в виде
консоли (рис. 5) или балки на двух
опорах. Для консоли Р = (E/Wa) е.
5. Датчик давления: упругий
элемент — стенка рабочей трубы или
отвода (рис. 6, а): 1 и 2 — рабочие и
компенсационные тензор езисторы;
стенка 3 на участке 4 имеет
уменьшенную толщину для повышения
чувствительности измерительного устройства.
Датчик давления поршневого типа
(рис. 6, б): 3 — стойка; 4 — корпус;
5 — эластичное уплотнение. Датчик
давления с упругой пластинкой,
вмонтированной в корпус или
изготовленной вместе с ним для обеспечения
стабильности показаний (рис. 6, в): 3 —
втулка; 4 — кожух для устанЬвки
датчика; 5 — защитная крышка.
Применяются малогабаритные тензорези-
сторы.
6. Устройство для измерения
составляющих нагрузки Р, приложенной
к концу упругого элемента в виде
консольно закрепленной балки (рис. 7).
При составляющих Ху Y и Z = О
(рис. 7, а) достаточно иметь два
измерительных моста и при составляющих
X, У, Z необходимо иметь три
измерительных моста (рис. 7, б). Тензорези-
сторы отмечены буквой, указывающей
измеряемую составляющую.
7. Трехкомпонентный динамометр
для определения положения линии
действия и компонент силы в
плоскости (рис. 8). Индексы 0, 1 и 2 при Wt
А и т соответствуют сечениям 0, 1 и 2,
в которых установлены тензорезисто-
ры; W — момент сопротивления; Л —
положительные приращения
показаний прибора при растяжении от
момента на левой и нижней стороне
сечений; т — цена деления прибора при
одном рабочем тензорезисторе.
Формулы для подсчета искомых значений
по измеренным приращениям А0, Ль
Да в сечениях 0, 1, 2:
Ь0 =
= (b2ai — bxa2) ^o^qAq
0 a2W гШхАх — a±W2m2A2 —
— (а2 — ах) W0m0A0
a2^2^iAi — a2W2m2A2 —
— (fl2 — aJWompAp ,
# =
V = -
2 (b2ax — bxa2)
fcaWi/r^Ai + bYW2m2A2 ■
— (bi - b2) W0m0A0
2 (Mi — M2)
8. Тензометрический акселерометр.
Масса инерционного элемента — на
растягиваемых упругих тягах
(жесткая подвеска) (рис. 9, а);
регистрируемые частоты колебаний до 2000 Гц.
Масса элемента — на упругой
консоли (рис. 9, б)\ может быть применено
жидкостное демпфирование; ускорение
исследуемой детали в пределах
Рис. 0. Тензометрический акселерометр

Исследования конструкций энергетического оборудования 123
±0,5 м/с2; частота колебаний до 20 Гц;
/, 2, 5—12 тензорезисторы; 3 —
упругий элемент; 4 — инерционный
элемент.
Универсальные преобразователи
механических величин на основе
электронной техники приведены в работе
[1]. Примеры тензометрических
преобразователей и установки тензорези-
сторов на элементах конструкций машин
для измерения нагрузки и усилий
даны в работе [12] и др.
ОСОБЕННОСТИ ЗАДАЧ И
ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ И НА-
ГРУЖЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Анализ
напряженно-деформированного состояния конструкций. При
создании конструкций нового
энергетического оборудования (корпуса,
трубопроводы и др.) применяют
экспериментальные методы определения
деформаций и напряжений в течение всего
процесса проектирования,
изготовления и пуска оборудования.
Экспериментальные исследования проводят с
учетом результатов анализа
деформаций и напряжений, выполняемого с
применением методов строительной
механики и численных методов теории
упругости [9, 11]. На относительно
дешевых механических моделях при
проектировании сопоставляют по
напряжениям и перемещениям варианты
конструкций и выбирают оптимальный,
оценивают способ производства,
учитывая возникающие технологические
напряжения (при сварке, сборке) и
допустимость из условий прочности
отклонений по геометрии. На стадии
проектирования применяют
тензометр ические модели из материала с
низким модулем упругости и
просвечиваемые модели поляризационно-оптиче-
ского метода для определения силовых
и температурных напряжений (см.
гл. 1). Для проверки работы узлов
уплотнения и оценки температурных
напряжений в зависимости от режимов
разогрева и расхолаживания также
проводят тензометрию (и термометрию)
металлических моделей с
воспроизведением режимов работы конструкции.
Полученные результаты используют
для уточнения расчетных методов [2;
6; 13].
Натурная тензометрия конструкций
энергетического оборудования
позволяет оценить эксплуатационные
режимы, провести контроль напряжений
в наиболее нагруженных зонах и по
этим данным выполнить оценку
прочности и ресурса нагруженных
конструкций. Тензометрия натурных
конструкций энергетического
оборудования при его пуске и эксплуатации с
использованием
информационно-измерительной системы высокотемпературной
тензометрии (ИИСВТ ИМАШ)
обеспечивает регистрацию деформаций и
напряжений во всех элементах
оборудования. В связи со сложностью
проведения тензометрии следует
ограничиваться минимальным числом точек
измерений, осуществляя
предварительные расчетные и
экспериментальные исследования на моделях.
Этапы экспериментальных
исследований напряжений и усилий,
возникающих в узлах энергетического
оборудования в условиях его работы,
следующие: определение напряжений,
усилий и перемещений на моделях и
стендах в целях оценки динамических
характеристик конструкций и
напряженно-деформированных состояний при
воздействиях, соответствующих
различным эксплуатационным режимам
работы оборудования; исследование
напряжений и усилий в условиях
эксплуатации оборудования для
определения действительных параметров
возмущающих воздействий и
соответствующих им деформаций и
напряжений в элементах конструкции;
накопление статистических данных о нагру-
женности и наибольших напряжениях,
получаемых в процессе эксплуатации
оборудования, для разработки
уточненных методов расчета и определения
эксплуатационного ресурса; контроль
реальной нагруженности,
динамических напряжений и состояния
конструкции для оценки остаточного
ресурса при эксплуатации оборудования.
Примеры использования
результатов исследования деформаций и
напряжений на моделях и натурных
конструкциях энергетического обору-

124 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
дования приведены в публикациях
[7; 10; 13].
Режимы работы исследуемого
оборудования. Стационарные режимы работы
при номинальных параметрах
являются основными эксплуатационными
режимами энергетического
оборудования, при которых оборудование
функционирует 70—90 % всего срока
эксплуатации. Важное значение для
обеспечения прочности имеют
нестационарные режимы работы, связанные
с пуском, изменением мощности и
остановом оборудования,
приводящие к прогреву или охлаждению с
различными скоростями металлоемких
корпусных и внутрикорпусных узлов.
Все типы атомного и
теплоэнергетического оборудования эксплуатируют
в режиме сочетания стационарного
и нестационарного нагр ужения.
Напряжения возникают при
следующих случаях нагружёния или их
комбинациях: при затяге узлов
уплотнения; давлении внутри корпуса;
перепаде температур в зонах
конструкции при установившемся тепловом
состоянии теплоносителя; изменении
температур и давления при
нестационарных режимах эксплуатации;
ограничении свободных температурных
расширений и вследствие различия ТКЛР
материалов взаимно сопряженных
элементов; вибрации при работе и
возможных импульсных нагрузках. При
этом пуски и остановы оборудования,
а также изменение мощности при
эксплуатации с изменением
параметров нагружёния (внутреннего
давления р, температуры /, градиента
температур A f) рассматриваются как
циклы повторного нагружёния.
Задачи натурной тензометрии и ее
подготовка: учитываются особенности
исследуемой конструкции и
реализуемых режимов; оцениваются необходимая
длительность измерений, условия
измерений, имеющиеся на месте
измерений возможности; устанавливаются
требования к методу и средствам
измерений.
Выбор мест установки тензорези-
сторов и термопар, числа
измерительных точек и ориентацию
устанавливаемых тензорезисторов в исследуемой
зоне оборудования осуществляют с
учетом напряженно-деформированных
состояний конструкции, которые
оцениваются предварительными расчетами
и исследованиями на моделях. При
этом используются данные анализа
задачи исследований, особенностей
конструкций, их нагруженности и
характера напряженного состояния в зонах
исследований; выявленные места
возможной повреждаемости оборудования
по опыту эксплуатации аналогичных
конструкций; результаты расчета
напряжений и температур в элементах
оборудования; результаты
исследований силовых и температурных
напряжений на моделях из полимерных
материалов; результаты стендовых
тензометр ических исследований на
металлических моделях и натурных
конструкциях с осуществлением режимов,
близких к эксплуатационным.
Типы тензорезисторов (см. гл. 6)
выбирают в зависимости от параметров
теплоносителя, длительности режимов
при проведении тензоизмерений, мест
и условий, в которых будут
находиться тензор езисторы на натурном
объекте, возможной схемы
термокомпенсации. Типы защитных устройств
и гермовыводов выбирают в
зависимости от места установки
тензорезисторов и термопар, условий на
поверхности конструкции, длительности
испытаний, считая с момента установки
тензорезисторов и термопар и до конца
испытаний, и технологии сборки
измерительной системы. Один из способов
длительного контроля состояния
конструкции с применением оптических
индикаторов рассмотрен в работе [5].
Общую схему измерений,
аппаратуру и метод обработки результатов
измерений выбирают в зависимости от
задачи и условий исследования.
Методы и средства* длительной натурной
тензометрии энергетического
оборудования, разработанные в Институте
машиноведения, и их применение
изложены в гл. 2—6.
Программа режимов стендовых,
заводских и эксплуатационных
испытаний натурных конструкций
энергетического оборудования составляется на
соответствующих этапах исследований
на основе анализа режимов пуско-
наладочных работ, эксплуатации и
аварийных состояний оборудования
[9, 13]. С учетом этих данных состав-

Исследования конструкций мощных паровых турбин
125
ляется проект натурной тензометрии
конструкций оборудования. Первая
часть проекта содержит схему
расположения тензорезисторов и термопар
на внутренней и внешней поверхностях
конструкции и технологию их
монтажа; схему трассировки
коммуникационных линий, конструкцию
разработанных защитных устройств, гермо-
выводов, уплотнительных и клеммных
устройств. Вторая часть проекта
включает в себя схему трассировки
выбранных соединительных линий от первых
клеммных устройств до коммутатора
и аппаратуры; схему коммутации и
присоединения аппаратуры к
коммуникационным линиям; варианты схем
опроса измерительных точек с учетом
основных тензор езисторов и термопар,
тензор езисторов — дублеров и
свидетелей; методику обработки
результатов измерений, выбор ЭВМ и
подготовку ее математического обеспечения.
Эффективность применения натурной
тензометрии ири исследовании
оборудования, работающего в экстремальных
условиях нагр ужения, показана далее
на примерах некоторых случаев пу-
сконаладочных и эксплуатационных
испытаний. Каждый из рассмотренных
случаев является самостоятельным,
учитывающим особенности
исследования, подготовки и проведения
измерений.
НАТУРНЫЕ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
МОЩНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН
Действительные значения
деформаций и напряжений, возникающих в
процессе пуска, останова и при
различных режимах эксплуатации,
определяют на наиболее нагруженных
внутренних поверхностях стенок
корпусов. Сложность этой задачи состоит
в том, что внутренняя поверхность
корпуса цилиндра высокого давления
омывается паром, движущимся с
большой скоростью при температуре 300—
540 °С и давлении 10—13 МПа;
скорость изменения температуры до
15°С/с. Ниже описаны методика и
опыт тензометр ических исследований
паровых турбин мощностью 160, 300
и 800 МВт.
Подготовка натурной тензометрии
корпуса цилиндров высокого и среднего
давления проводится для обеспечения
следующих условий измерений:
длительного воздействия на тензорезисто-
ры, термопары и соединительные
линии высоких температур, давлений,
скоростей изменения температур и
давлений, в том числе при тепловом
ударе; установки большого числа тен-
зорезисторов и термопар; прокладки
элементов измерительной схемы и
отладки всей системы тензометрии, что
должно быть выполнено в короткие
сроки, как правило, при капитальном
ремонте энергоблока. Первичная
обработка данных измерений должна
выполняться в процессе испытаний
непосредственно после проведения
очередного режима.
Режимы работы паровых турбин,
при которых проводится тензометрия
их корпуса для определения
напряженных состояний и оценки циклической
прочности корпусов турбин: режим
с резким изменением параметров пара;
пусковые режимы; режим остановок
турбин; работа турбины на
номинальной и частичной нагрузке. Программа
испытаний предусматривает режимы,
наиболее характерные для
эксплуатации турбины, и содержит пуски
после 8-, 16- и 48-часового простоев,
плановые остановы и остановы с
принудительным расхолаживанием,
стационарный режим работы.
Схема размещения тензорезисторов
и термопар разрабатывается на основе
анализа имеющихся расчетных данных
по температурным полям и
напряжениям, результатов исследований на
тензометр ических моделях, а также
опыта эксплуатации турбин. В
корпусах паровых турбин рассматриваемого
типа наиболее напряженными
тензометр ируемыми зонами являются
следующие: сечения за регулирующей
ступенью и по паровпуску, торообраз-
ная часть корпуса, зона фланцевого
соединения; сечения по ^паровпуску
и за первой ступенью, торообразная
часть корпуса, наружная боковая
поверхность криволинейной части
фланца в зоне паровпуска. Схема
размещения первичных тензометр ических
преобразователей на одной иэ конструк-

126 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
Рис. 10. Схема размещения тензорези-
сторов и термопар на корпусе цилиндра
высокого давления паровой турбины
ций исследуемых корпусов приведена
на рис. 10.
Подготовка тензоизмерений на
электростанции. Привариваемые
термостойкие тензорезисторы типа ТТБ-73 на
нихромовой подложке позволяют
проводить измерения деформаций при
переменных температурах до 600 °С (см.
гл. 2). Разностные температурные
характеристики рабочего и
компенсационного тензорезисторов,
полученные в лаборатории, аппроксимируются
линейной функцией и уточняются с
помощью тензорезисторов — свидетелей,
устанавливаемых в корпусе турбины.
В измерительных точках
обеспечивается схемная компенсация: рабочие
тензорезисторы (приваренные к
детали) и компенсационные (в «салазках»)
подбирают с разницей в
сопротивлениях не более 0,1 Ом и соединяют
в полумост. В качестве тензорезисто-
ра — свидетеля может быть
использован компенсационный тензор езистор,
периодически подключаемый к
клеммам термостатированным полумостов.
Применяют также тензорезисторы —
свидетели, смонтированные на
пластинках из материала исследуемой
детали и устанавливаемые в зонах
наибольшей температуры с обеспечением
их «свободных» деформаций при
воздействии температуры. Этот способ
позволяет вести регистрацию
показаний тензорезисторов — свидетелей
независимо от основных измерений,
и получаемые по ним поправки вводят
в обработку данных тензометрии.
Дублирование показаний тензорезисторов
и режимов работы турбины позволяет
оценить дрейф нуля, учитываемый при
обработке данных измерений; при этом
важно выдержать одинаковые тепловые
состояния и силовые нагрузки в
начале и в конце очередного режима и
цикла измерений. При соблюдении
этих требований обеспечивалась
правильная работа тензорезисторов ТТБ
при температуре до 600 °С в течение
всех циклов измерений.
Тензорезисторы соединяют с клемм-
ным устройством, установленным
рядом с тензометрируемой конструкцией,
термостойким проводом типа ПОЖБ
диаметром 0,41 мм.
Температуру стенок корпусов
турбин измеряют с помощью термопар
типа X—А. Чтобы оценить и учесть
погрешность измерений вследствие
разности температур рабочего и
компенсационного тензорезисторов, в каждой
измерительной точке устанавливают по
две термопары (одну на корпусе рядом
с рабочим, другую на подложке
компенсационного тензор езистор а). Этим
достигается также дублирование в
случае выхода из строя одной термопары.
Для измерения температуры на
внутренней поверхности стенки вне
защитных устройств применяют
привариваемые точечной сваркой малотепло-
инерционные гермотермопары,
защищенные герметичным чехлом из
коррозионно-стойкой трубки диаметром
2 мм. Для получения распределения
температур по толщине стенки в
высверленных ступенчатых отверстиях
устанавливают глубинные термопары
открытого типа, привариваемые к
стенке контактной сваркой (см. гл. 6).
Защита тензорезисторов,
установленных на наружной поверхности
корпуса турбины, выполняется цельно-
штампованным колпаком из фольги
толщиной 0,4 мм, привариваемым
точечной сваркой и имеющим выводные
трубки 0 6X1 или 04X1 мм. Для
защиты тензорезисторов,
установленных на внутренней поверхности
корпуса, омываемой паром, применяют
устройства в виде жестких колпаков.
Защитные устройства этого типа
достаточно надежны в работе и могут
использоваться при длительных
измерениях на стационарных и
квазистационарных режимах работы
крупногабаритных конструкций, но
применять их при скорости измерения
температуры выше 10—15°С/мин не
следует [16].
Гермотензодатчики, несколько
уступая указанным защитным
устройствам в надежности при длитель-

Исследования конструкций мощных паровых турбин
127
2300т,ч
Рис. 11. Напряжения в корпусе цилиндра высокого давления при пуске и останове
турбины:
о*в и ав ан и а„
напряжения на внутренней и наружной поверхностях; А^_з и
Л*2 —3 — перепады температур по толщине стенки; 1, 2, 3 — точки измерений
ных испытаниях на внутренних
поверхностях корпусов, имеют
существенное преимущество —возможность
измерения температурных деформаций
при нестационарных режимах с
резкими теплосменами.
Защитные трубки с жаростойкими
соединительными проводами
приваривают к стенке корпуса скобами арго-
нодуговой сваркой. С внутренней
поверхности корпуса трубки выводят
через специальные устройства — гер-
мовыводы (см. гл. 6), уплотняют
концевыми элементами, залитыми
эпоксидной смолой, или же соединяют
сваркой с выводными трубками клеммных
устройств.
Соединительные провода от
измерительных точек, расположенных на
внешней и внутренних
поверхностях, раскрепляют в клеммных
устройствах, располагаемых вблизи турбины.
Для соединения клеммных устройств
с измерительной аппаратурой,
установленной в измеритель
но-вычислительном комплексе, применяют
двухжильный провод марки ПКЛ, трех-
жильный провод РПШЭ и
многожильный кабель КЭВШ [17].
Передвижкой
измерительно-вычислительный комплекс, размещенный в
здании ГРЭС на расстоянии около
50 м от исследуемого энергоблока,
в короткий срок может быть
подключен к общей схеме тензометрии. В
состав измерительно-вычислительного
комплекса для измерения деформации
и температуры входят серийные
приборы типа КС и многоточечный
комплекс ТК-75 со скоростью опроса
точек 25 измерений в секунду. Комплекс
содержит также ЭВМ вместе с
дополнительными устройствами для
оперативной обработки результатов
измерений (см.гл. 3—5).
Особенности напряженных
состояний корпусов, выявленные путем
натурной тензометрии. Изменение
напряженного состояния корпуса
цилиндра высокого давления паровой
турбины в процессе ее пуска из не-
остывшего состояния и останова
показано на рис. 11. Достигая пикового
значения через 15—20 мин после на-

128 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
t,°c
430
390
350
110*
At,°C
40
~40
и
ll I
4 I'
, X
' '4
I I I
1 ■ I
III
18
24 30 36 z,</
Рис. 12. Изменение температур t и
перепадов температур Л* в стенке корпуса
при частичном нагружении турбины
чала электрического нагружения,
напряжения на внутренней поверхности
в дальнейшем интенсивно снижаются,
в то время как на наружной
поверхности напряжения снижаются
значительно медленнее. Максимальные
напряжения в корпусе при пуске
достигали в рассмотренных случаях 200 МПа.
Важное значение для анализа
напряженного состояния корпусов при
эксплуатации имеют результаты
натурной тензометрии при номинальном или
частичном электрическом нагружении
турбины. При этом, как показали
измерения, на внутренней поверхности
стенки корпуса создаются циклически
изменяющиеся перепады температур
(рис. 12).
При эксплуатации паровых турбин
имеются режимы, когда на
внутренних поверхностях корпусов могут
возникать значительные растягивающие
температурные напряжения, обратные
по знаку напряжениям при
нагружении. К таким режимам относятся
толчок ротора, частичные и полные сбросы
нагрузки. Измерения температур на
некоторых корпусах в процессе таких
режимов выявили возможность
резкого кратковременного снижения
температуры и скачка деформаций на
внутренней поверхности корпуса
цилиндра высокого давления в зоне за
регулирующей ступенью (рис. 13) [16].
Это может быть вызвано попаданием
воды в проточную часть турбины
в момент толчка ротора или дроссе-
8 \——н—Г
4о\ 1—U
t,°C
740
100\
60
I
О 2,f 5 т,мин 0 2,5 5т,мин
a) fi)
Рис. 13. Изменение деформаций (а) и
температур (б) на внутренней
поверхности корпуса при толчке роторов
лированием пара в момент закрытия
регулирующих клапанов при сбросах
нагрузки. Измененные при этом
деформации соответствуют величинам,
возникающим при тепловом ударе.
Наибольшие температурные
напряжения на гладкой стенке при таких
режимах с = 0,8£а Af/(1 — fx), где А/ —
изменение температуры внутренней
поверхности стенки; Е, a, [i — модуль
упругости, ТКЛР и коэффициент
Пуассона материала стенки. Полученные
в результате тензометрических
исследований данные о растягивающих
напряжениях при режимах толчка
ротора, сбросе нагрузки, плановых и
аварийных остановах турбины позволяют
оценить размах и деформаций и
напряжений, возникающих в стенке
турбины. Изменение температурного
состояния турбины, протекающего
весьма быстро и реализуемого в
тонком слое металла внутренней
поверхности корпуса, должна фиксировать
штатная система контроля.
График изменения напряжений на
внутренней поверхности стенки
корпуса при характерных режимах
эксплуатации (рис. 14), который
используется при расчетах малоцикловой
прочности и ресурса [7, 15], строят
с учетом данных натурной тензометрии
турбины.
Корпуса стопорных и регулирующих
клапанов паровых турбин, как и
корпуса цилиндра, воспринимают
циклически изменяющиеся напряжения,
связанные с режимами пуска и останова
турбин. С увеличением мощности
паровых турбин возрастает длительность

Исследования конструкций мощных паровых турбин
129
Рис. 14. График изменения напряжений в корпусе цилиндра высокого давления при
характерных режимах эксплуатации
их работы на номинальном режиме.
Поэтому натурная тензометрия должна
быть длительной с проведением
измерений на внутренних и наружных
поверхностях этих корпусов. На
внутренней поверхности корпусов
стопорных клапанов значительные
температурные напряжения возникают уже
на режиме пуска, предшествующем
нагружению. При открытии главной
задвижки в результате резкого
повышения температуры на внутренней
поверхности корпуса стопорного
клапана создаются сжимающие
напряжения, достигающие в рассмотренной
6,МПа t,°C
конструкции 350 МПа. При подаче
воды на этой же поверхности
создаются растягивающие напряжения,
достигающие 280 МПа (рис. 15).
Характерный график изменения пусковых
напряжений на наружной поверхности
корпуса стопорного Клапана
приведен на рис. 16.
В отличие от корпуса цилиндра
высокого давления, где наибольшие
напряжения при пуске возникают на
внутренней поверхности в начальный
период при 250—350 °С (пуск из не-
остывшего состояния), в корпусе
стопорного клапана наибольшие напря-
200
100
-100
ЧОО
300
200
L юо
Zу мин
1^Л1' ™«леН6НИе темпеРатУР" t и главных напряжений о1 и сг2 в корпусе стопорного
клапана турбины после подачи воды в котел nuuuimuiv
5 Дайчик _М. Л. и
ДР.

130 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
б, МПа
At,°C
t,°C
510
390
270
150
5 12 т,ч
Рис. 16. Характерный график изменения температуры t, перепадов температур А* и
главных напряжений <jt и о*2 на наружной поверхности стопорных клапанов при пуске
турбины
жения на внутренней поверхности
возникают в конечной стадии при 400—
500 °С. Это обусловлено тем, что в
корпусе стопорного клапана
температурные напряжения связаны в основном
с осевым перепадом температуры.
Результаты натурной тензометрии при
пуске одной из конструкций паровой
1. Наибольшие напряжения
в корпусах клапанов
Клапан
Высокого
давления
стопорный
Среднего
давления
стопорный

Регулирующий
е-бо
Сне
55/40
95/65
120/95
<U 1
35/40
50/25
90/75
Нагру- '
жение
60/80
175/110
160/145
Примечание. В числителе и
знаменателе указаны соответственно
значения главных напряжений ох и а2
в МПа.
турбины мощностью 300 МВт дали
следующие значения наибольших
растягивающих напряжений на
внутренней поверхности корпуса стопорного
клапана в зависимости от начальной
температуры пуска:
Начальная
температура /, °С 395 335 150
Наибольшие
напряжения, МПа:
осевые 60 85 160
кольцевые .... 40 55 120
В корпусах клапанов турбин
мощностью 800 МВт значительные
растягивающие напряжения возникают уже
на этапе прогрева трубопроводов.
Наибольшие растягивающие напряжения
в корпусах клапанов одной из турбин
мощностью 800 МВт, по данным
натурной тензометрии для различных
режимов пуска, приведены в табл. 1.
В ряде случаев, по данным
натурной тензометрии, изменения
напряжений в корпусах паровой турбины при
пуске и других эксплуатационных
режимах имеют двухчастотный характер.

Исследования конструкций атомных реакторов электростанций 131
НАТУРНЫЕ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Результаты тензометрии в
соответствии с Нормами [13] позволяют
определять в шпильках следующие
напряжения: аи — общие изгибные;
ат — средние по сечению шпильки,
вызванные механическими нагрузками;
°т2 — средние по сечению шпильки,
вызванные механическими и
тепловыми нагрузками; оу — приведенные,
определяемые по средним напряжениям
растяжения, напряжениям изгиба и
температурным напряжениям в
шпильках. Изгибные напряжения в верхнем
и нижнем сечениях шпилек в местах
установки тензорезисторов:
а„ = £*Ди.10-«/(270,
средние по сечению шпильки
растягивающие напряжения
ата = £*Др.10-в/(1+ц)*,
где Аи и Ар — соответственно
приращения показаний полумостов гермо-
тензорезисторов в верхнем или
нижнем сечениях и в среднем сечении;
\i — коэффициент.Пуассона; Et —
модуль упругости материала шпилек
при температуре измерений.
Температуры в местах установки
термопар находят по их показаниям
и показаниям холодного спая.
Температуру в верхнем tB и нижнем tH
сечениях шпильки определяют по
показаниям термопар, установленных в
этих сечениях. В среднем сечении
шпильки температура /р = (/в + tu)/2.
Наибольшие изгибные напряжения
аитпах в верхнем и нижнем сечениях'
шпилек определяют по изгибным
напряжениям аИр и аит в радиальной и
тангенциальной плоскостях корпуса:
°и max = (а«Р + °lT)U2. Ориентация
плоскости действия максимального
изгибающего момента в поперечном
сечении шпильки относительно
радиального направления определяется углом
Ф = arctg (аит/аир).
Тензометрические исследования
внутрикорпусных устройств. Поток
теплоносителя внутри корпуса реактора
является источником вибраций, суще-
5*
ственных для оценки прочности
тонкостенных внутрикорпусных устройств
реактора. Уровень вибрации зависит
от конструкции и динамической
нагруженности элементов устройств и
определяется амплитудами вибрации, ее
спектральным составом и характером
распределения пульсаций давлений на
поверхности. В стационарных
условиях эксплуатации вибрация
внутрикорпусных устройств является
случайным процессом; при этом в связи
с широкополосным спектром
нагруженности может одновременно
возбуждаться значительное число форм
колебаний конструкции [4]. В связи
с ограниченностью расчета основные
результаты исследования вибрации и
динамической нагруженности могут
быть получены тензометрией
внутрикорпусных устройств при пусконала-
дочных работах первого контура
энергоблока.
Методы и средства измерений, а
также места установки тензор езисторов и
датчиков пульсаций давления на
элементах внутрикорпусных устройств
при натурной тензометрии выбирают
с учетом результатов предшествующих
исследований на металлической модели
при различных режимах и расчетных
данных и конструктивных
особенностей исследуемого оборудования [8,
13]. Число тензорезисторов и датчиков
пульсаций давления выбирают из
условия получения необходимой
информации и проверки допустимости
возникающих напряжений по условиям
прочности элементов, обеспечивающих
работоспособность внутрикорпусных
устройств (шахты, днища шахты,
блока защитных труб). На рис. 17
приведена схема установки
тензорезисторов и датчиков пульсаций давления на
основных элементах внутрикорпусных
устройств при натурной тензометрии.
Ввиду трудности установки
компенсационных тензорезисторов рядом с
рабочими применены самотермокомпен-
сированные тензорезисторы типа ТТК-
Малогабаритные датчики пульсаций
давления ДПД 200/1 в комплекте с
тензометр ическим усилителем УД-20М
имеют повышенную чувствительность,
равную 0,0025 МПа на 1 мм хода луча
на осциллограмме, и надежно
работают при частотах до 600 Гц.

132 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
Узлы системы тензометрии,
предназначенные для монтажа на внутри-
корпусных устройствах реактора,
предварительно испытывают на стендах
для условий «холодной» и «горячей»
обкатки или проходят
соответствующую проверку на
контрольно-градуированных устройствах в
лаборатории.
Тензорезисторы, термопары и
датчики пульсаций давления
устанавливают на штатных элементах реактора.
В связи с малой величиной монтажных
зазоров датчики пульсации давления,
тензорезисторы и термопары,
устанавливаемые на верхней части
наружной поверхности шахты, монтируют
в выфрезерованные для них
углубления. В местах, где нет ограничений
по монтажным зазорам, применяют
защитные устройства, представляющие
собой привариваемые к поверхности
конструкции прямоугольные пластины
толщиной до 8 мм с углублениями под
Рис. 17. Фрагмент схемы установки тен-
зорезисторов и датчиков D пульсации
давления на элементах внутрикорпусного
устройства реактора
тензорезисторы и отверстиями для
приварки защитных трубок. Защитные
трубки от тензор езисторов и датчиков
пульсации давления с помощью
привариваемых скобок собирают в ручьи
по 10 трубок и выводят из реактора
через патрубки канала
энерговыделения, где их уплотняют сваркой в
соответствующей трубной доске.
По условиям безопасности работ все
элементы измерительной системы
после выхода из внутренней части
реактора должны быть герметизированы.
Для этого концы защитных трубок
уплотняют в специальных
устройствах эпоксидной смолой; далее
термостойкие провода через клеммные
устройства соединяют с кабельными
измерительными линиями.
Программой работ на АЭС
предусматривается неоднократное
включение и отключение измерительных
кабельных линий от клеммных устройств,
расположенных на нижнем поясе верх-

Исследования конструкций атомных реакторов электростанций 133
(e-tO*fp,Mfia..
f,Tu,
0,06
0,04
0,02
-ю~3
0,27
G
10
20
30
f,r«
Рис. 18. Спектрограмма динамических напряжений (/) и пульсаций давлений (2) на
наружной поверхности шахты внутрикорпусного устройства
него блока реактора, где температура
не превышала 50 °С. Для этого
кабельные линии и клеммные устройства
снабжают разъемами, позволяющими
быстро отключить или подключить
кабельные линии.
Натурная тензометрия внутрикор-
пусных устройств реактора на АЭС при
его обкатке позволяет определить
значения динамических напряжений и
деформаций в наиболее характерных
точках элементов конструкции и
пульсаций давления теплоносителя внутри
реактора. В связи с тем, что реактор
АЭС находится более 80 % срока
эксплуатации в стационарных
режимах работы, особенно важно знать
значения динамических напряжений
и их частоты в наиболее нагруженных
элементах внутрикорпусного
устройства, обеспечивающих
работоспособность реактора.
Установившееся стационарное
состояние. На рис. 18 приведена
спектрограмма динамических напряжений
на наружной поверхности шахты
напротив входных патрубков и
пульсаций давления на входе в реактор,
полученная при основном стационарном
режиме: температура теплоносителя
263 °С, давление 12,5 МПа, работают
все шесть главных циркуляционных
насосов. В полученных спектрах
динамических напряжений наиболее
существенно проявляются
низкочастотные — от 0,7 до 11 и от 24 до 25 Гц,
а также высокочастотные
составляющие — 62,5; 196 и 250 Гц.
Максимальные амплитуды динамических
напряжений в низкочастотном диапазоне
в зоне входных патрубков шахты не
превышают 0,5 МПа. При этом
минимальными характерными частотами
изменения напряжений в цилиндрической
части шахты являются частоты в
диапазоне 9—11 Гц. В высокочастотном
диапазоне максимальные амплитуды
динамических напряжений получены
на эллиптической части днища и равны
±1,0 МПа; при этом для днища вся
мощность спектра колебаний
относится к диапазону частот 200—300 Гц.
Основная мощность спектра
пульсаций давления сосредоточена на
низких частотах. Максимальные
амплитуды пульсаций давления в указанном
диапазоне составляют ±0,018 МПа.

134 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
А-
ТК-75
*
ВК-2-20 h
m
ЭВМ
Рис. 19. Информационно-измерительная
система для исследования напряжений
в элементах главного разъема реактора
При переходных режимах
наибольшую нагруженность элементов внутри-
корпусных устройств создают пуски
главных циркуляционных насосов при
открытой главной запорной задвижке,
особенно на холодной воде, когда еще
не выбраны монтажные зазоры. При
пуске в начальный момент времени
создается импульс давления с
наложением на него более высокочастотной
составляющей. При этом возникают
динамические напряжения в
конструкции, несколько более высокие, чем
при стационарных режимах,
достигающие при других неработающих
насосах 2,5 МПа. Наибольший размах
пульсаций давления на этом режиме
зарегистрирован на входе в реактор
и составил 0,065 МПа.
Прочность и ресурс элементов вну-
трикорпусных устройств реактора
оценивают по данным натурной
тензометрии и результатам расчета.
Накопление усталостных повреждений
определяют как сумму отношений
полученных при измерениях амплитуд
вибрационных напряжений к
допустимым амплитудам напряжений в
предположении непрерывного действия
напряжений в течение всего времени
работы реактора. Для рассмотренной
конструкции внутрикорпусного
устройства реактора1 мощностью 440 МВт
сумма составила величину до 0,12.
Тензометрические исследования узла
разъема корпуса реактора,
работающего под давлением при повышенных
температурах. Экспериментальное
определение деформаций, напряжений и
температур в элементах узла разъема
корпуса реактора является сложной
задачей в связи с высокой нагружен-
ностью, необходимостью обеспечения
герметизации системы тензометрии на
всех этапах сборки и испытания
корпуса, малыми зазорами в местах
трассировки измерительных линий. В этих
условиях действительная
нагруженность шпилек Ml40 узла главного
разъема корпуса, знание которой
необходимо для оценки прочности и
ресурса эксплуатации, наиболее
достоверно находят натурной тензометрией,
позволяющей измерить действительные
значения усилий при различных
режимах работы реактора.
В связи с ограниченностью времени
на установку первичных
измерительных элементов при монтаже корпуса
реактора на станции и малыми
зазорами между шпильками и нажимными
кольцами корпуса применяют гермо-
тензорезисторы (см. гл. 6).
Температуру измеряют с помощью
герметизированных хромель-алюмелевых
термопар с термоэлектродами диаметром
0,31 мм. В состав
измерительно-информационной системы (рис. 19) входят
два независимых измерительных
прибора — измеритель выходного
сигнала тензорезисторов ТК-75, к которому
подключены полумосты
тензорезисторов /, и цифровой вольтметр с
двойным интегрированием К-2-20,
используемый для измерения температур
с применением термопар 2. Оба
измерительных прибора объединяются
одним блоком управления 3. Кроме того,
в состав измерительной системы
входят два коммутатора, каждый по 100
каналов, — коммутатор
тензорезисторов 4 и коммутатор термопар 5.
Результаты измерении вводятся в ЭВМ

Исследования конструкций атомных реакторов электростанций 135
или в случае невозможности
непосредственного подключения комплекса к
ЭВМ выводятся на перфоратор 6 типа
ПЛ-150 [10].
На рис. 20 приведена схема
установки на шпильке
гермотензорезисторов, обозначенных прямоугольниками
и точками. Ввиду того, что шпильки
представляют собой длинный стержень
и воспринимают растягивающие и
изгибающие усилия, целесообразно
применять схемную компенсацию, при
которой компенсационный тензорезистор
приваривается на поверхности
шпильки рядом с рабочим. Для регистрации
деформаций изгиба в верхнем и
нижнем сечениях • гладкой части шпилек
попарно на двух или четырех
противоположных образующих установлены
гермотензорезисторы с направлением
баз вдоль оси шпильки. Пары,
гермотензорезисторов включаются в
соседние плечи моста, вследствие чегб
чувствительность измерительной схемы
удваивается. В среднем поперечном
сечении шпильки на противоположных
образующих, лежащих в плоскости,
перпендикулярной к радиальному
сечению корпуса, установлены
продольно два гермотензорезистора,
включаемых последовательно в одно плечо
моста, и два гермотензорезистора вдоль
контура поперечного сечения шпильки,
включаемых также последовательно
в другое компенсационное плечо
моста. При такой схеме регистрируются
деформации, соответствующие
напряжениям от осевого усилия, и
чувствительность измерительной схемы
увеличивается в (1 + \х) раз.
Для измерения температур в
верхнем и нижнем сечениях каждой
исследуемой шпильки рьядом с гермотензо-
резистором устанавливают гермотер-
мопары. Гермотензорезисторы и гер-
мотермопары прикрепляют к
поверхности шпилек точечной контактной
сваркой. Защитные трубки
соединительных линий прикрепляют к
поверхности шпильки скобами точечной
контактной сваркой. Для соблюдения
условий термокомпенсации при разводке
трубок по поверхности шпилек длины
термостойких соединительных
проводов у гермотензорезисторов каждого
полумоста выполняют равными, и
трассировка осуществляется в одинаковых
Рис. 20. Схема установки гермотензодат-
чиков на шпильке главного разъема
температурных условиях. Защитные
трубки каждой шпильки при переходе
на фланец корпуса собирают вместе
и вводят в одно клеммное устройство.
Режимы, при которых следует
проводить измерения, следующие: затяг
шпилек, гидравлическое испытание
корпуса, разогрев, стационарный
режим, расхолаживание, снятие затяга
в разъеме.
В шпильках, которые имеют в
нижнем сечении четыре полумоста,
наибольшее изгибное напряжение аи max
определяют как полусумму
напряжений по основным гермотензодатчикам,
расположенным в радиальном и тант
генциальном направлениях. Для
дополнительных датчиков, смещенных
относительно основных на 45°,
наибольшие приведенные напряжения в
нижнем оун и верхнем оув сечениях
шпильки подсчитывают по формуле
<*у = аш2 + <*итах. Наибольшие
приведенные напряжения на уровне

136 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
f
л
(
4
V
Е=
_
■
1
А С
1 ц
1 щ
|> /у>
1
г
в
у«
ил
Рис. 21. Распределение приведенных
напряжений о по длине шпильки
первого витка резьбы получают в
соответствии с рис. 21 путем линейной
экстраполяции с учетом
действительных размеров поперечного сечения
шпильки по дну резьбы.
Подсчет напряжений на уровне
первого витка резьбы выполняют в два
этапа. Пересчет на уровень первого
витка резьбы без. учета различия в
размерах поперечного сечения стебля и
сечения шпильки по дну нарезки:
10 1
Пересчет величины а' с учетом
различия в размерах поперечного
сечения стебля (А—А) и сечения
шпильки по дну нарезки (В—В)
производится по формуле
где FCT, Fv, WCT, Wv —
соответственно площади поперечного сечения и
моменты сопротивления стебля
шпильки и ее резьбовой части по дну
нарезки.
Затяг шпилек — усилия передаются
через нажимное кольцо и крышку на
уплотняющие кольцевые прокладки,
которые, деформируясь, уплотняют
главный разъем. Так как длины
прокладок по периметру уплотнитель ной
поверхности составляют значительную
величину, то для надежного
уплотнения разъема необходимо затяг всех
шпилек выполнить равномерно и с
усилием, создающим напряжения в
шпильках, не превышающие
допустимых. Шпильки затягивают
гайковертом вытяжкой шпилек и последующим
практически свободным навертыванием
гаек.
При проведении испытаний
гайковерт одновременно вытягивает шесть
шпилек, равномерно расположенных по
окружности, что выполняется при
давлении в цилиндре домкрата
гайковерта 16 и 32 МПа. На рис. 22 приведен
график изменения напряжений в
одной из шпилек в процессе затяга и
снятия затяга (разуплотнения). На
оси ординат указаны напряжения
шпильки в процессе затяга, по оси
абсцисс — порядковые номера
работы гайковерта при затяге (рис. 22, а)
и при снятии затяга после обкатки
реактора (рис. 22, б).
На рис. 23 представлен график
изменения напряжений в шпильках при
основных режимах обкатки. Здесь а4
и ат2 — соответственно максимальные
приведенные напряжения и
максимальные напряжения растяжения,
подсчитанные как средние по десяти
исследуемым шпилькам в их гладкой
части. Обозначение режимов
следующее: / — затяг; // — состояние
перед гидроиспытанием; /// —
гидроиспытание корпуса; IV — совместное
нагружение давлением корпуса и
уплотнения; V — разогрев при обкатке;
VI — стационарный -режим; VII и
VIII — расхолаживание; IX —
снятие затяга.
Полученные результаты натурной
тензометрии используют для оценки
статической прочности по категориям
номинальных напряжений и для
оценки накопленных повреждений в
шпильках [10] при режимах,
предусмотренных программой обкатки первого
контура, и при эксплуатационных
режимах, а также для обоснования ресурса
конструкции. При уточненной
проверке усталостной прочности шпилек
в сечениях по дну впадины резьбы
наибольшие номинальные растягива-

Исследования конструкций атомных реакторов электростанций 137
6, МП а
400
200
V
1кн
i
//
--Х
1^
\
д'
/ \
Циклы работы гайковерта
а)
S)
Рис. 22. График изменения напряжений в шпильках в процессе затяга (а) и его
снятия (б)
ющие напряжения, полученные
натурной тензометрией, увеличиваются
умножением на коэффициент
концентрации.
Тензометрия узлов теплообменника
энергетической установки в начальный
период эксплуатации. Ниже
рассмотрено применение метода натурной
тензометрии для исследования
напряженного состояния теплообменника
энергетической установки с
теплоносителем, имеющим температуру 540 °С
[10]. Температура в местах установки
тензорезисторов в процессе пусконала-
дочных работ составляет 150—300 °С
при длительности измерений около
двух месяцев, в период освоения
мощности — 400—520 °С при длительности
более четырех месяцев.
6,МЛа
Проведение длительных тензометри-
ческих исследований в таких
экстремальных условиях потребовало
разработки новых средств защиты
первичных преобразователей, дальнейшего
развития методики проведения
измерений в условиях быстроменяющихся
температур, методики учета изменения
метрологических характеристик тензо-
резисторов в процессе эксперимента.
Схема разработанной системы
тензометрии теплообменника приведена на
рис. 24, а. В помещении 7, где
расположен теплообменник 2, установлено
«горячее» клеммное устройство 3.
Коммуникационные тензометрические
линии, выходящие из гермовыводов 4$
подсоединены к клеммному устройству,
обслуживание которого при работе
Режим
Рис. 23. График изменения напряжений в шпильках при режимах «холодной» — «горя,
чей» обкатки реактора

138 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
8
L
1
L—
—i
и-
m-7f\
Г
Vе
7 В
-д/
~Т
И г
2 1
а)
б)
Рис. 24. Схема системы тензометрии теплообменника (а) и узла вывода тензометриче-
ских линий из внутренней поверхности корпуса (б)
установки не производится.
Кабельные линии выводят из помещения,
где расположен теплообменник, через
специальные проходки.
Для регистрации деформаций и
температур, измеряемых гермотензодат-
чиками, применены аналоговые
самопишущие приборы 5 типа КСМТ-4
и КСП-4. Показания тензорезисторов
и термопар, установленных под
защитными устройствами на внутренней
и внешней поверхностях,
регистрируются с помощью цифровой
тензометр ической системы 7 типа ТК-75.
Синхронизация записей на цифровой
и аналоговой регистрирующей
аппаратуре производится отметчиком
времени 6. Коммутатор 8 на 100
измерительных точек, входящий в комплект
ТК-75, служит для автоматической
коммутации измерительных каналов.
Важной задачей при разработке
систем натурной тензометрии подобных
установок является вывод
тензометр ических линий из энергетической
установки. В соответствии с
техническими требованиями, предъявляемыми
к конструкции и условиям испытаний,
безопасная герметичность выводных
устройств должна быть обеспечена
в течение всего срока эксплуатации
теплообменника.
На рис. 24, б приведена
принципиальная схема вывода тензометриче-
ских линий с внутренней поверхности
теплообменника. В соответствии со
схемой тензометрические линии 9
заключены в защитный чехол 10,
соединенный с внутренним объемом корпуса
установки, заполненным
теплоносителем 12. Защитный чехол выходит
за пределы защитного кожуха 13
и теплоизоляции теплообменника 11
и заканчивается цилиндром 14 с так
называемой трубной доской 15, где
герметизацию концевиков тензометр и-
ческих линий 16 выполняют аргоно-
дуговой сваркой. Температура
цилиндра с трубной доской при
эксплуатации теплообменника не превышает
60 °С, что позволяет использовать для
герметизации мест вывода
коммуникационных проводов 17 эпоксидный
компаунд 18. В случае разгерметизации
тензометр ической линии
теплоноситель поднимается по защитной трубке
тензометр ической линии до зоны с
низкой температурой; где
кристаллизуется. После окончания тензометри-
ческих исследований
коммуникационные провода обрезают, цилиндр
закрывают защитным колпаком и заваривают
аргонодуговой сваркой.
Для измерения деформаций на
внутренних поверхностях энергетических
установок, работающих с повышенной

Исследования конструкций атомных реакторов электростанций 139
температурой, применяют гермотензо-
датчики типа ТГБ-БН (модификация
НМТ), которые обеспечивают
измерения деформаций и температур на
поверхностях, омываемых
теплоносителем с температурой до 550 °С, и со
скоростью изменения температуры
поверхности металла до 25 °С/с.
Опытные образцы разработанных гермо-
тензодатчиков этого типа проверяли
на стенде с теплоносителем,
аналогичным применяемому в натурной
конструкции. Гермотензодатчики
устанавливали на металлических моделях,
подобных по форме элементам
отдельных узлов исследуемой энергетической
установки. Модель с гермотензодатчи-
ками подвергали воздействию
теплоносителя с резко меняющейся
температурой. В то же время при ревизии,
проведенной после окончания
стендовых испытаний, у отдельных гермо-
тензодатчиков было обнаружено
нарушение герметичности защитной
фольги (сталь 12Х18Н9Т). В связи
с этим фольга, предназначенная для
изготовления защитных устройств
гермотензодатчиков, должна
проходить обязательную проверку на
отсутствие поверхностных микротрещин
[19].
Важной задачей при тензометрии
в условиях нестационарных
температур является выбор способа схемной
компенсации температурного
приращения сопротивления тензорезисторов.
В связи с невозможностью установки
в потоке теплоносителя
компенсационного гермотензорезистора
устанавливают компенсационные тензорезисторы
под жесткими колпаками. При
быстрых изменениях температуры
теплоносителя компенсационные тензор е-
зисторы имеют температуру, несколько
отличную от температуры рабочих
тензор езисторов. Разность температур
рабочего* и компенсационного тензо-
резисторов измеряют термопарами и
учитывают при обработке результатов
измерений. Тензорезисторы типа
ТГБ-БН с чувствительным элементом
из никель-молибденового сплава
выполняют на подложке из стали
12Х18Н9Т, имеющей ТКЛР, близкий
к ТКЛР материала натурной
конструкции, что позволяет получить
температурную характеристику
полумоста тензор езисторов порядка IX
X 16"в °С"1. Для измерения
температур применяют хромель-алюмелевые
термопары с диаметром
термоэлектродов 0,3 мм.
Для учета изменения
метрологических характеристик тензор езисторов,
происходящих в результате
длительного воздействия высоких температур,
на теплообменнике устанавливают две
группы тензор езисторов—свидетелей:
полумосты—свидетели,
представляющие собой полумост из рабочего и
компенсационного тензорезисторов, и
одиночные «свидетели», составленные
из компенсационных тензорезисторов
в измерительных точках. Полумосты—
свидетели монтируют на образцах,
изготовленных из материала натурной
конструкции, и устанавливают в зоне
с температурой, близкой к температуре
рабочих тензорезисторов в
измерительных точках.
Применяемая методика и средства
измерений (см. гл. 2—4> 6) позволяют
выполнять исследования напряжений
и температур при эксплуатационных
режимах в период освоения мощности,
особенно при режимах с аварийным
расхолаживанием. При указанных
режимах в исследуемом теплообменнике
температура теплоносителя снижается
со скоростью до 5 °С/с, что приводит
в элементах теплообменника к
значительным градиентам температур и,
соответственно, температурных
напряжений.
Для иллюстрации на рис. 25
приведены графики изменения напряжений
и температур при аварийном
расхолаживании установки в некоторых
измерительных точках, расположенных
в зоне верхней трубной доски
теплообменника. Нечетные номера
соответствуют тензорезисторам и гермотензо-
резисторам, установленным в
продольном направлении, четные — в
поперечном. Измерительная точка 1/2
расположена в зоне соединения
верхней трубной доски / с внутренней
обечайкой 2, где циркуляция
теплоносителя незначительна. Продольный
градиент температуры в зоне перехода
обечайки в трубную доску при
рассматриваемом режиме мал и
значительных напряжений не вызывает.
Напряженное состояние в этой измери-

140 ЗАДАЧИ НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
t,°C б,МПа
" IV
360
МО
300 u
Рис. 25. Напряжения и температуры в узле корпуса теплообменника при аварийном
расхолаживании энергетической установки
тельной точке определяется в
основном влиянием быстро охлаждающейся
перфорированной части верхней
трубной доски. Внешняя обечайка 3
теплообменника в зоне перехода в трубную
доску (измерительная точка 5/4) при
режиме срабатывания аварийной
защиты быстро охлаждается движущимся
теплоносителем. Напряжения в этбй
зоне определяются разными темпами
охлаждения обечайки и трубной доски,
а также влиянием перфорированной
части доски, имеющей при этом режиме
более низкую температуру. Значения
напряжений приведены относительно
стационарного состояния,
предшествующего началу режима.
В каждом частном случае
выполненных измерений погрешность
результатов определяется отдельно для
каждого натурного эксперимента с учетом
особенностей конструкций и реальных
условий проведения испытаний.
При этом, как указано в гл. 6, на
этапе подготовки к измерениям
выполняют расчетную оценку погрешности
в соответствии с имеющимися
методическими указаниями. Окончательную
оценку погрешности измерений при
длительном воздействии высоких
температур испытаний, вызывающих
изменение метрологических
характеристик тензорезисторов, проводят по
данным тензорезисторов—свидетелей,
учитывающих реальную нагружен-
ность и кинетику теплового состояния
натурного объекта.
По имеющемуся опыту проведения
натурных измерений энергетического
оборудования в условиях
эксплуатации среднее квадрэтическое значение
погрешности результатов на базе
тензорезисторов S = 10-f-20 МПа.
Для обычно применяемой при
натурной тензометрии доверительной
вероятности Р = 0,95 и нормального закона
распределения это приводит к
случайной погрешности определения
напряжений Да = ± (204-40) МПа.
Полученные данные натурной
тензометрии о напряженном состоянии
теплообменника используют для оценки

Список литературы
141
циклической повреждаемости при
эксплуатации, корректирования
эксплуатационных режимов, а также при
разработке теплообменников других
энергетических установок, работающих
в аналогичных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ваганов В. И. Интегральные тен-
зопреобразователи. М.: Энергоатомиздат,
1983. 137 с.
2. Исследование и расчет
напряжений/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1966. 190 с.
3. Исследование массива горных
пород методами фотомеханики/Под ред.
Н. Ф. Кусова. М.: Наука, 1983. 271 с.
4. Исследования напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1980. 119 с.
5. Исследование напряжений и
прочности корпуса реактора/Под ред. С. В. Се-
ренсена, Н. Немеца, Н. И.
Пригоровского. М.: Атомиздат, 1978. 279 с.
6. Исследование температурных
напряжений/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1972. 228 с.
7. Когаев В. П., Махутов Н. А.,
Гусенков А. П. Расчеты деталей машин
и конструкций на прочность и
долговечность. М.: Машиностроение, 1983. 223 с.
8. Махутов Н. А., Каплунов С. М.,
Прусс Л. Н. Вибрация и долговечность
судового энергетического оборудования.
Л.: Судостроение, 1985. 302 с.
9. Мельников Н. П. Конструктивные
формы и методы расчета ядерных
реакторов. М.: Атомиздат, 1972. 551 с.
10. Методы исследования напряжений
в конструкциях энергетического
оборудования/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1983. 182 с.
11. Морозов Б. А. Моделирование
и прочность металлургических машин.
М.: Машиностроение, 1968. 310 с.
12. Напряжения и деформации в
деталях и узлах машин/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Машгиз, 1961. 564 с.
13. Нормы расчета на прочность
элементов реакторов, парогенераторов,
сосудов и трубопроводов атомных
электростанций, атомных и исследовательских
ядерных реакторов и установок. М.:
Металлургия, 1973. 408 с.
14. Пригоровский Н. И. Методы и
средства определения полей деформаций
и напряжений. М.: Машиностроение, 1983.
248 с.
15. Прочность конструкций при
малоцикловом нагружении/Под ред. Н. А. Ма-
хутова и А. Н. Романова. М.: Наука,
1983. 253 с.
16. Сенин В. С, Пригоровский Н. И.,
Хуршудов Г. X. Натурная тензометрия
паровых турбин//Методы исследования
напряжений в конструкциях. М.: Наука,
1976. с. 3 — 9.
17. Температурные напряжения в
корпусах ЦВД и ЦСД паро:;ой турбины
мощностью 200 МВт/Н. И. Пригоровский,
Г. X. Хуршудов, М. Л. Дайчик и др.//
Теплотехника. 1976. № 4. С. 43 — 48.
18. Тензометрия в машиностроении:
Справочное пособие/Под ред. Р. А.
Макарова. М.: Машиностроение, 1975. 208 с.
19. Уайэтт Л. М. Материалы ядерных
энергетических установок: Пер. с англ.
М.: Атомиздат, 1979. 256 с.

Глава
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И
РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ
При исследовании сложных
конструкций применяют сочетание
экспериментальных и расчетных методов
определения деформаций и
напряжений при подготовке и проведении
натурной тензометрии. Использование
современных численных методов
расчета позволяет сократить объем
экспериментальных исследований и в ряде
случаев ограничиться расчетом. При
проектировании новых конструкций
исследования на моделях целесообразно
проводить с малым числом вариантов
конструктивных форм, нагрузок и
граничных условий и выполнять для них
отработку программы расчета и
расчетных схем. Далее осуществляют
оптимизацию конструкции и режимов
ее работы по условиям прочности
путем расчетного исследования и
определяют напряжения в выбранном
варианте конструкции [12, 14].
Необходимость проведения натурных
тензометр ических исследований при
этом сохраняется, так как
действительная нагруженность новых конструкций
определяется путем эксперимента.
Предварительную приближенную
расчетную оценку при подготовке
натурной тензометрии выполняют для
выбора схемы и средств измерений и.
требований к ним. В случае новых
конструкций находят места наибольших
напряжений, где должны быть
проведены измерения, и ожидаемый
уровень деформаций. При обработке
данных тензометрии с применением
формул для определения деформаций и
напряжений в отдельных точках
ограничиваются рассмотрением
изолированных точек в местах измерений.
Такой способ обработки (первичная
обработка) не дает полного использо-
НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ
В СОЧЕТАНИИ
С ДРУГИМИ МЕТОДАМИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ДЕФОРМАЦИЙ
И НАПРЯЖЕНИЙ
вания данных измерений, и
целесообразно вести полную обработку
данных тензометрии совместно для всех
точек конструкции, используя ее
математическую модель [3, 19].
При подготовке и проведении
натурной тензометрии конструкций
энергетического оборудования, а также при
анализе получаемых при тензометрии
данных проводят в комплексе
следующие экспериментальные исследования
(см. гл. 2): 1) исследования
деформаций, напряжений и перемещений от
силовых нагрузок на тензометр ических
моделях из материала с низким модулем
упругости; 2) тензометрическое
определение силовых и температурных
напряжений и измерение температур
на металлических моделях из тех же
материалов и при тех же условиях
сборки, что и в натурной конструкции,
и с воспроизведением режимов
нагрузок, подобных ожидаемым в
натурной конструкции; 3) поляризационно-
оптические исследования силовых и
температурных напряжений на
просвечиваемых плоских и объемных
моделях. Натурные тензометрические
исследования, проводимые в сочетании
с указанными экспериментальными
методами и расчетом, обеспечивают
получение полной информации о
действительной нагруженности и напряженно-
деформированном состоянии
рассматриваемой конструкции при ее работе.
Эти данные необходимы для решения
задач прочности, оптимизации и оценки
ресурса конструкции [8, 15].
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И
НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Определение деформаций и
напряжений в корпусе реактора. При
разработке новых конструкций применяют

Деформации и напряжения в конструкциях при проектировании 143
в сочетании аналитические и численные
методы расчета и экспериментальные
исследования на моделях.
Полученные результаты используют также
при подготовке и проведении
натурной тензометрии. Экспериментальное
определение деформаций и
напряжений в конструкциях выполняют в
течение всего процесса проектирова- v
ния, а также при изготовлении и пуске
реактора. Особенности конструкции
реакторов, требующие проведения
исследования полей деформаций и
напряжений до натурной тензометрии:
сложность формы и наличие большого
числа зон концентрации напряжений;
неравномерность распределения
температур и их изменение в зависимости
от режима работы реактора; наличие
внутри корпуса реактора
антикоррозионной наплавки с другим
коэффициентом температурного расширения,
чем коэффициент основного металла
корпуса; высокий уровень напряжений
при значительяых размерах
конструкции, широком применении сварки и
при возможных дефектах в материале
конструкции корпуса. Основные виды
нагрузок: усилия затяга шпилек
главного разъема корпуса; давление внутри
корпуса; перепад и изменение
температуры стенок корпуса; усилия,
создаваемые вследствие ограничения
температурных расширений и различия
коэффициентов температурного
расширения материалов сопрягаемых
элементов корпуса. Основные наиболее
напряженные зоны конструкции, в
которых определяют напряжения:
сопряжение цилиндрической части
корпуса с фланцем главного разъема;
конструкция главного разъема
корпуса; отдельные отверстия и зоны
перфорации крышки и днища;
сопряжения главных патрубков с корпусом;
опорное устройство корпуса.
Оценка неоднородности
распределения напряжений в корпусе,
проводимая на моделях, позволяет создать
при проектировании конструкцию с
уменьшенной неоднородностью
напряжений, что существенно для снижения
опасности хрупкого разрушения.
Напряжения в конструкциях, найденные
на упругих моделях, используют для
оценки прочности на повторное на-
ГРужение, в том числе при относительно
малом числе циклов нагр ужений.
Эти же данные необходимы для выбора
правильного расположения тензо-
резисторов при натурной тензометрии
реакторов. Допустимость того или
иного режима работы реактора по
условиям прочности его корпуса
оценивается тензометрией основных точек
конструкции. Пуск начинается с более
мягкого режима и с последовательным
повышением скорости разогрева и
охлаждения до достижения в опасных
точках предельно допустимых
значений напряжений. Таким образом,
использование тензометрии при
пробных пусках и отладке реактора
позволяет, как показал опыт, выбрать
допустимые по условиям прочности
корпуса оптимальные режимы работы
реактора.
Исследование напряжений и
перемещений вследствие деформации в
корпусе реактора на моделях из
пластмассы и на металлических моделях
проводят на первой стадии
исследований при проектировании, так как
эти исследования не требуют
натурной конструкции или мощного
дорогостоящего испытательного
оборудования. Проведенные эксперименты
подтвердили соответствие измеренных
деформаций и перемещений на моделях
из пластмассы и металлических
моделях, полученных тензометрией
натурных конструкций корпусов
реакторов.
Пример. Корпуса реакторов с
плоской и эллиптической крышкой
Нововоронежской АЭС. Экспериментальное
исследование деформаций и
напряжений проведено на объемных моделях и
на натурной конструкции корпуса [6].
Каждый тип моделей решает
определенные задачи при проектировании и
расчете корпуса реактора. На первой
модели из оптически чувствительного
материала выполнена
предварительная оценка напряжений от
внутреннего давления в корпусе. На первой
тензометрической модели из
органического стекла получены
предварительные данные для нескольких
вариантов конструкции корпуса. На
таким же образом выполненных тензомет-
рических моделях определены
напряжения от затяга шпилек и давления в
конструкции корпуса с плоской эллипти-

144 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 1. Схема узла модели и порядок полос интерференции получаемых при просвечи*
вании участка «замороженной» объемной модели корпуса реактора в зоне главного
патрубка
ческой и тарельчатой крышкдй, в том
числе в зонах, где намечено
расположение сварных швов. На моделях
Из оптически чувствительного
материала, изготовленных в трех
вариантах, выполнено уточненное
определение напряжений в зонах их
концентрации. Использован метод
«замораживания» с предварительным затягом
шпилек в модели через пружинки
или с применением моделей шпилек
с предварительно «замороженными»
продольными усилиями требуемой
величины.
На рис. 1 приведена картина полос
интерференции, полученных для одного
из вариантов моделей при
просвечивании части цилиндрической стенки
корпуса, нагруженного внутренним
давлением. Картина полос показывает
неравномерность распределения
напряжений, обусловленную наличием
боковых патрубков в стенке.
Наибольшие напряжения — в зоне
боковых патрубков на внутренней
поверхности корпуса. Сложное
распределение напряжений возникает также
по точкам цилиндрической части
корпуса в зоне главного разъема и по
сечению патрубка, что иллюстрируют
эпюры напряжений на рис. 2,
полученные на срезах объемной
просвечиваемой замороженной модели. На рис. 3
показаны эпюры напряжений от
давления в днище корпуса, полученные
по срезам замороженной модели
корпуса, а также определенные по
объемной тензометрической модели из
органического стекла. Рис. 1—3
показывают важность предварительной оценки
неравномерного распределения
напряжений перед подготовкой схемы и при
обработке данных натурной
тензометрии.
Температурные напряжения в
рассматриваемых вариантах
проектируемого корпуса получены по расчетным
температурным полям путем
механического моделирования (см. гл. 1).
Как пример получаемых для натурной
конструкции результатов измерений,
на рис. 4 приведены эпюры
меридиональных от и тангенциальных о*
напряжений в верхней части корпуса
реактора со сферической крышкой при
температурном поле для
стационарного режима работы реактора [7].
Приведенное распределение
температур в нажимном кольце (^Нк)* в К0Р"
пусе (^к) и в шпильках (^шп) реактора
получено расчетом.
Металлическая модель корпуса
реактора, оборудованная тензометрами
и индикаторами перемещений,
выполнена по подобию с проектируемой
натурой в уменьшенном геометрическом
масштабе 1 : 5. На металлической
модели воспроизводятся тепловые
режимы, близкие к тем", которые будут
реализовываться в натурной кон-

Деформации и напряжения в конструкциях при проектировании 145
110МПа
ЮОМПа
31МП а
110 МПа°*
№—"**
f©^
>э9Ш
iT^s
-L 1
у/ '/^
'// S>
'/ [
'/\
А
X
Г
V
V
Uj
\r
32МПа
931.. а)
86МПа
82МЛа
Рис. 2. Эпюры меридиональных
напряжений а-т и ^—0*2 (МПа) на внутренней
(——-'—) и наружной (-
-)
поверхностях .верхней части корпуса реактора от
давления р = 10 МПа, полученные по
методу «замораживания»:
а — в осевой плоскости корпуса; б — в
поперечном сечении корпуса по нижнему
ряду главных патрубков
ка температурных напряжений
вследствие неравномерности распределения
температуры в корпусе. Измерения
на металлической модели и на
натурной конструкции подтвердили
применимость моделей из пластмасс для
определения напряжений от силовых
нагрузок во всех зонах корпуса,
100 200 МПа
струкции при ее работе. Назначение
модели — проверка влияния на
напряжения и перемещения от затяга и
давления действительных условий
сопряжения крышки с корпусом через
металлическую клиновидную прокладку,
которые не могли быть воспроизведены
на моделях из пластмасс, а также оцен-
Рис. 3. Эпюры меридиональных и
кольцевых напряжений 0*т и о* (МПа) на
внутренней (слева) и наружной (справа)
поверхностях днища корпуса от давления
р == ю МПа полученные на
просвечиваемой замороженной модели и значения
ат (•) и а ( + ) по данным тензометрии
модели из органического стекла

146 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 4. Температурные
напряжения (МПа) в
меридиональной плоскости
корпуса реактора и по контуру
нажимного кольца при
стационарном режиме (а);
картина полос интерференции,
полученная на
меридиональном срезе замороженной
модели (б)
-23 МП а
V
включая точки, близкие к
поверхностям уплотнения. Выполнение узла
уплотнения металлической модели в
масштабе .1:5 из материалов,
соответствующих натуре, позволило
достаточно правильно воспроизвести
натурные условия сопряжения деталей
узла уплотнения корпуса.
Тензометр ические исследования на
металлической модели при «холодных»
испытаниях позволяют выполнить проверку
и уточнение значений напряжений от
затяга и внутреннего давления в
основных точках конструкции в
условиях сборки металлической модели,
близкой к натурным, а также при
различных состояниях модели в процессе
«холодных» испытаний.
Принятое расположение тензорези-
сторов в металлической модели при-

Деформации и напряжения в конструкциях при проектировании 147
ведено на рис. 5. При затяге шпилек
в модели проводили регистрацию
деформаций по тензодатчикам,
установленным с внешней и внутренней
сторон на узле уплотнения, а также
в зоне патрубков (рис. 6). Измерения
на натурной конструкции при
стендовых ее испытаниях позволяют
выполнять замер напряжений от затяга
шпилек с соблюдением всех условий
изготовления и работы натурной
конструкции. Металлическая модель дает
также возможность провести
приближенные оценки напряжений в точках
корпуса модели от силовых и тепловых
нагрузок при стационарных и
переменных режимах.
Наибольшие температурные
напряжения могут возникать не при
наибольшей температуре теплоносителя,
а в результате быстрого изменения
температуры при пуске реактора, его
расхолаживания и других
нестационарных режимах. Так как стенка
корпуса нагревается с одной внутренней
стороны, то по толщине стенки
создается перепад температур, зависящий
от теплопроводностей материала стенки
и ее поверхности. Если внутренняя
поверхность стенки из однородного
материала более нагрета, то в ней
создаются сжимающие меридиональные и
тангенциальные напряжения, а на
внешней — растягивающие.
Результаты измерении
температурных напряжений на металлической
модели при отсутствии на ее
внутренней поверхности слоя, моделирующего
наплавленный плакировочный слой,
имеющийся в натурной конструкции,
могут быть отнесены только к
основному металлу корпуса и крышки.
Напряжения в наплавленном слое
натурного корпуса будут отличаться по
значению и знаку от напряжений,
измеренных на внутренней
поверхности металлической модели, так как
ТКЛР металла наплавленного слоя
в 1,4 раза больше, чем ТКЛР
основного металла. Вследствие этого в
наплавленном слое корпуса и крышки
реактора при стационарном тепловом
режиме будут появляться
значительные дополнительные напряжения
сжатия. На напряженность основного
металла корпуса, как показывают
расчеты и измерения, наплавленный слой
существенного влияния не оказывает.
Для исследования напряженного
состояния зон патрубков и швов тензо-
резисторы устанавливают на
внутренней и внешней стороне этих зон, а
также в контрольных точках модели.
Исследование напряженного
состояния в зонах патрубков. При «горячих»
испытаниях металлической модели
тензор езисторы устанавливают как с
внутренней стороны (в месте перехода
шва приварки патрубка к корпусу
модели), так и с внешней (в
цилиндрической части модели около шва
приварки патрубка и в середине
перемычки между патрубками верхнего
ряда).
Измерения на металлической модели
проводили при следующих режимах:
опрессовка при / = 20 °С, р = 10 МПа;

148 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ '
t,°C 6, МПа
200
100
Рис. 5. Схема расположения тензорези-.
сторов в осевой плоскости металлической
модели корпуса реактора в одном (О)
и двух (#) главных направлениях
разогрев при t= 20-f-275°C со
средней скоростью 14 °С/ч, р = 0-f-10 МПа;
стационарный режим при t = 275 °С,
р = 10 МПа; охлаждение с
различными начальными скоростями сброса
тепловой нагрузки при t= 275-f-20°C
при р = Юч-0 МПа. Напряжения
в зоне патрубков с подъемом давления
плавно возрастают. При выходе на
рабочие параметры напряжения на
внутренней стороне стенки корпуса
а = 224 МПа (на радиусе перехода
шва приварки патрубка к корпусу
модели). При сбросах тепловой
нагрузки с различными скоростями
напряжения в зоне патрубков
уменьшаются. По результатам измерений
на металлической модели
максимальное напряжение о = 243 МПа для
рассматриваемой натурной конструк-
гоо\
\100\
о"- О
-100
"С£Т
"^^.
ь
■5
^
«s\
*s\
*3
«г
20
ЬО
60т,с
Рис. 6. Изменение напряжений (МПа)
в основных точках боковых патрубков
реактора в зависимости от изменения
температуры теплоносителя при
давлении р = 10 МПа
ции (при гидростатическом давлении
р = 10 МПа). Это напряжение
получено с внутренней стороны модели.
Как следует из рис. 6, напряжения
на внутренней стороне патрубка при
сбросах тепловой нагрузки в первые
30 с уменьшаются, причем с
увеличением начальной скорости сброса
тепловой нагрузки скорость снижения
напряжений возрастает. Напряжения
на внешней стороне рассматриваемой
зоны патрубка по мере сброса тепловой
нагрузки убывают. Меридиональные
и тангенциальное напряжения на
внутренней стороне сварного шва при
сбросе тепловой нагрузки возрастают,
а на внешней — убывают.
На внутренней поверхности центра
днища корпуса значения напряжений
при опрессовке при стационарном
режиме несколько превосходят значения
напряжений на внешней поверхности.
При сбросе тепловой нагрузки
значения напряжений резко падают и
через 30 с уменьшаются более чем
в 3 раза. При дальнейшем сбросе теп-

Деформации и напряжения в конструкциях при проектировании
149
Рис. 7. Устройство натурного стенда:
/ — натурная модель (в масштабе 1 : 1); 2 — предохранительный клапан; 3 — бак
холодной воды; 4 — компрессор; 5 — электронагреватель; 6 — теплообменник; 7 — под-
питочный насос; 8 — циркуляционный насос; 9 — вытеснитель
ловой нагрузки наблюдается
возрастание напряжений. При стационарном
режиме напряжений на верхней кромке
бандажа отсутствуют, и при сбросе
тепловой нагрузки на внешней
стороне бандажа возникают сжимающие
напряжения. Максимальные
меридиональные напряжения от = 78 МПа
от тепловых нагрузок получаются
в зоне патрубков с внешней стороны
цилиндрической части около шва
приварки патрубка. Напряжения
такого же порядка от тепловой нагрузки
получаются в зоне среднего шва сварки
обечаек с патрубками. В
тангенциальном направлении с внешней стороны
шва напряжения от тепловой нагрузки
равны 74 МПа (сжатие). Напряжения
в основном металле корпуса от
тепловых нагрузок с внутренней стороны
зоны патрубков на радиусе перехода,
где от силовых нагрузок напряжения
были максимальными, незначительны.
Уточненное исследование
напряжений, деформаций и перемещений
деталей корпуса реактора при различных
стационарных и нестационарных
тепловых состояниях может быть
проведено на натурной модели штатного
корпуса, имеющей антикоррозионную
наплавку. Натурную модель с
укороченной цилиндрической частью и
без зоны патрубков выполняют в
масштабе 1:1. На фланец корпуса
модели производят горячую посадку
бандажа, как в натурной конструкции.
Внешняя поверхность корпуса,
крышки, а также узла уплотнения имеет
теплоизоляцию по теплотехническим
характеристикам, подобную той, ко-

150 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ '
торая имеется в штатной конструкции.
Теплоноситель нагревали с помощью
электрического нагревателя, который
должен обеспечивать среднюю скорость
нагрева 15—20 °С/ч. Расхолаживание
модели выполняли с разными
скоростями сброса тепловой нагрузки.
Давление, тепловые нагрузки и
расхолаживание проводили на стенде, схема
которого дана на рис. 7.
Крышка в модели представляет
собой плоскую круглую плиту с
антикоррозионным покрытием толщиной
20 мм и просверленными в ней
отверстиями для монтажа трубопроводов.
Тензорезисторы и термопары на крышке
установлены в зоне центрального
отверстия с внешней и внутренней
стороны. С внутренней стороны тензо-
резисторы устанавливают на наплавке
по контуру центрального отверстия
и на перемычках между центральным
отверстием и отверстиями первого
круга. С внешней стороны в зоне
центрального отверстия тензорезисторы
устанавливают в. точках,
симметричных по отношению к внутренним, а
также на периферии крышки. На
крышке с внешней стороны применено
устройство для замера прогибов в
различных местах крышки. Так как
упругие постоянные основного материала
стенки и материала наплавки в
корпусе весьма близки, то напряжения
от силовых воздействий возникают,
как при однородном материале, на
полную толщину стенки. Наличие
наплавки должно учитываться при
определении температурных напряжений.
При этом взаимное проскальзывание
по поверхности сопряжения основного
металла и наплавки отсутствует, и
элементы оболочек, составляющих
корпус, рассматривают как тонкие;
напряжения в направлении радиусов
поверхности оболочек не учитывают.
При определении температурных
напряжений в стенке корпуса с
наплавкой при осесимметричном
распределении температуры рассматривают два
случая: 1) зоны, достаточно
удаленные от краев корпуса и от мест
изменения его формы; 2) зоны, близкие
к краям корпуса и местам изменения
формы, где имеет место общий случай
температурных напряжений. При
переменной температуре напряжения
возникают по оси корпуса с наплавкой,
как в общем случае осесимметричной
оболочки. Кроме того, при измерении
напряжений учитывается, что возможно
неосесимметричное распределение
температуры в корпусе и местная
неравномерность температуры.
При плоской деформации
цилиндрической тонкостенной оболочки при
одном и том же увеличении
температуры А/ основного материала и
наплавки меридиональные и
тангенциальные напряжения имеют постоянное
значение по основному материалу
ато.м=аФом и по наплавке атн=
= афН и оцениваются по формулам
°"т о. м = ^ф о. м =
_^ (ан — ар. м) A* hH Е
1 -— fi hH -f h0, м
и
п -а -<ан — ао.м)А* v
°тн — афН ] X
1 ц
X h°- м Е,
где Е и ц — модуль продольной
упругости и коэффициент Пуассона
основного материала и наплавки; а0#м, ан
и Л0. м» hK — ТКЛР и толщины стенки
основного материала и наплавки.
Приближенная предварительная
оценка температурных напряжений,
возникающих вследствие различия
ТКЛР основного материала и наплавки,
может быть сделана для эллиптического
днища и фланца корпуса по
аналогичным формулам. В плоской крышке
с наплавкой возникают
температурные напряжения, оцениваемые с
учетом изгиба по соответствующей
формуле.
Радиальные и тангенциальные
напряжения от гидростатического
давления 10 МПа при 20 °С составляют на
перемычках о> = 120 МПа, оф =
= 150 МПа (с внешней стороны)
и о> = —150 МПа, оф = —160 МПа
(с внутренней стороны). На контуре
центрального отверстия с внешней
стороны аф = 185 МПа. Тепловая
нагрузка на крышку стенда приводит
к существенному перераспределению
в ней напряжений. При стационарном
тепловом состоянии (р = 10 МПа;

Натурные тензометрические исследования корпуса реактора 151
♦ ,8 12 г,ч
Рис. 8. Изменение температуры в точках
модели (масштаб 1:1) при сбросе
тепловой нагрузки со скоростью 90 °С/ч:
1 — 5 — термопары
т
t = 275 °С) перепад температур по
толщине крышки в центре составляет
10—12 °С, в радиальном направлении
с внутренней стороны практически
отсутствует и с внешней стороны
составляет около 16 °С. Температура
наиболее холодной точки бандажа на
120 °С ниже температуры внутренней
поверхности крышки (рис. 8). Это
распределение температур при
стационарном состоянии определяет
соответствующее распределение напряжений.
Напряжения, возникающие в крышке
от температурных нагрузок, могут
быть разделены на две основные части:
а) напряжения, обусловленные
усилиями, действующими в плоскости
крышки, которые вызваны разностью
температур крышки и фланца корпуса
с бандажом; б) напряжения,
обусловленные градиентом по толщине крышки
и связанные с разностью ТКЛР
основного металла крышки и наплавки.
Для уменьшения напряжений,
обусловленных усилиями, действующими
' в плоскости крышки, необходимо
улучшить теплоизоляцию бандажа и фланца
с тем, чтобы уменьшить разность
температур между крышкой и верхней
частью корпуса. Для крышки более
опасными являются режимы разогрева
с повышенными скоростями, чем
режимы сброса тепловой нагрузки. И
хотя прогибы крышки при сбросе
тепловой нагрузки в начальный
период уменьшаются и затем возрастают,
они все же не достигают значений,
которые были в начальный период
сброса тепловой нагрузки. При этом
напряженное состояние крышки в
начальный период сброса тепловой
нагрузки отличается от напряженного
состояния через 8 ч после сброса
тепловой нагрузки, когда прогиб в центре
крышки достигает своего второго
максимума.
НАТУРНЫЕ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ КОРПУСА
РЕАКТОРА
Эти исследования являются
завершающим этапом работ по определению
напряженного состояния корпуса
реактора. Измерение деформаций при
монтаже, пуске и на первой стадии
эксплуатации реактора имело
следующие задачи: контроль равномерности
затяга шпилек при сборке аппарата
для обеспечения плотности узла
уплотнения и равномерного обжатия
в гнезде клиновидной прокладки,
осуществляемый наблюдением за
показаниями приборов, к которым
подключены тензор езисторы, установленные
на шпильках; получение данных по
напряженному состоянию корпуса при
пуске и наладке реактора для выбора
эксплуатационных режимов, которые
'можно допустить по условиям
прочности корпуса; получение данных по
распределению температурных полей
и по напряженному состоянию в
цилиндрической части корпуса аппарата,
подверженной облучению при работе
аппарата на мощности, и по
напряженному состоянию патрубков корпуса
реактора, изготовленных из металлов
с различными ТКЛР; контроль работы
реактора при эксплуатации путем
наблюдения за показаниями приборов.
Деформации и температуру в
корпусе измеряют с помощью
термостойких тензорезисторов и термопар.
Примененные средства измерений
рассмотрены в гл. 6.
Схема установки тензор езисторов на
штатном корпусе реактора, приведен-

152 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 9. Схема расположения тензорезисторов с термопарами (•) в зоне боковых
патрубков на штатном корпусе реактора

Натурные тензометрические исследования корпуса реактора
153
ная на рис. 9, показывает основные
места их установки на внешней
поверхности корпуса реактора. К этим
местам относится зона патрубков, где
тензорезисторы устанавливаются на
верхнем «горячем» и нижнем
«холодном» патрубках по их верхней и
боковой образующим, а также основной
сварной шов. Всего в зоне патрубков
с наружной стороны было установлено
42 тензометр ических полумоста и 21
термопара (на рисунке не показаны).
На бандаже тензорезисторы
установлены около верхней и нижней кромок
в пяти измерительных точках по
одному полумосту в каждой точке с
тангенциальным направлением базы
рабочего тензор езистор а. На нажимном
кольце с внешней стороны
цилиндрической поверхности около верхней и
нижней кромок в четырех
измерительных точках установлено по одному
полумосту с тангенциальным
направлением базы рабочего тензор езистор а
и по одной термопаре. На внешней
поверхности цилиндрической части
корпуса на высоте активной зоны
тензометрические мосты и термопары
установлены на пяти уровнях по трем
образующим, расположенным в плане
под углом 120°. Тензорезисторы и
термопары на шпильках установлены
в трех сечениях гладкой части трех
шпилек, как указано на рис. 9 [6].
Для исследования рассмотрены три
шпильки, расположенные в
продольных сечениях корпуса под углом 120°.
На штатной крышке станции
тензорезисторы и термопары можно не
устанавливать. Необходимые данные по
напряжениям на внутренней и
внешней поверхностях крышки получены
при тепловых испытаниях
металлической модели, выполненной в масштабе
1:1. Установка тензорезисторов на
внутренней поверхности крышки в
местах наплавки, имеющей большие
сжимающие напряжения, не может быть
сделана вследствие трудности
уплотнения выводов, которое по требованиям
эксплуатации должно быть в первом
контуре гарантировано. По сравнению
со схемой, принимаемой при
гидроиспытании на заводе-изготовителе, в
рассматриваемой схеме отсутствуют
тензорезисторы на внутренней
поверхности цилиндрической части
корпуса и на внутренней и на внешней
поверхностях эллиптического днища в
связи с указанными выше причинами.
Необходимые данные были получены
при гидроиспытаниях на модели,
выполненной в масштабе 1:1.
Исследования на модели и гидроиспытания
корпуса на заводе позволили установить
наиболее опасные места в обечайке
зоны патрубков, что дало возможность
уменьшить число тензорезисторов на
фланце и обечайке зоны патрубков на
натурной конструкции. Вследствие
больших перепадов температур в
верхнем и нижнем рядах патрубков в
условиях эксплуатации и
рассматриваемой схеме имеется дополнительно 11
точек измерения на патрубках по
сравнению со схемой гидроиспытания.
При проведении измерений на
станции на реакторе (см. рис. 9)
применяют следующие виды нагрузок и
режимов.
1. Гидроиспытания корпуса при
давлении 15 МПа и температуре 100 °С.
Изменение давления внутри корпуса
и температуры теплоносителя при
испытаниях: 1-й цикл (6 ч) — 5 МПа
пр"и 25 °С; 2-й цикл (8 ч) — 10 МПа
и снижение давления до 2 МПа при
90 °С; 3-й цикл (4 ч) — 13 МПа при
90 °С.
2. Горячая промывка.
Последовательно осуществляли нагрев главными
насосами до 260 °С, подъем давления
до 10 МПа и изменение по условиям
отладки температур и давлений с
малыми скоростями.
3. Горячая обкатка. Последовательно
осуществляли нагрев главными
насосами до 230 °С, подъем давления до
10 МПа и изменение температур и
давлений с небольшими скоростями.
4. Пробный энергопуск.
Последовательно осуществляли опрессовку до
12 МПа при температуре 110 °С,
нагрев от насосов и разогрев от реактора
до 250 °С с выходом на мощность
70 МВт. Затем был проведен режим
перепада температур и медленное
расхолаживание со скоростью 15°С/ч.
5. Пуск после
планово-предупредительного ремонта, первьш разогрев.
Последовательно выводили на
мощность 2 % от номинальной со
скоростью разогрева 28 °С/ч в течение 5 ч;
стационарный режим в течение 9 ч

154 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
при температуре теплоносителя
первого контура 250 °С и давлении 10 МПа;
далее проводят расхолаживание со
средней скоростью 40°С/ч в течение
5 ч с соответствующим уменьшением
давления.
6. Пуск, второй разогрев.
Последовательно выводили со 130 °С на
мощность 1 % от номинальной,
разогревали до 194 °С со скоростью 30°С/ч
в течение 2 ч; стационарный режим
в течение 1,5 ч; разогрев со скоростью
55°С/ч в течение 1 ч; далее
стационарный режим при мощности 15 % от
номинальной и температуре
теплоносителя 250 °С.
При эксплуатации станции в течение
последующих нескольких месяцев
периодически (один раз в двое суток)
регистрируют деформации и
температуры во время стационарного режима
и непрерывно во время переходных
режимов. Таким образом, получают
данные по деформациям, напряжениям
и температурам в корпусе для всех
режимов, возможных при
эксплуатации реактора.
После продолжительной работы в
условиях стационарного режима
выполняют расхолаживание реактора для
его планово-предупредительного
ремонта. Расхолаживание проводят
с 250 до 25 °С со средней скоростью
20 °С/ч при начальной скорости 35 °С/ч.
После ремонта корпус реактора
разогревают со скоростью 18°С/ч со 130
до 260 °С. Непрерывно в течение двух
суток определяют деформации и
напряжения при 100%-ной мощности
реактора. Уровень напряжений в
конструкции реактора остается при этом
постоянным.
Множество записей при разогревах
и расхолаживаниях реактора
позволяет оценить напряженное состояние
корпуса при различных скоростях
изменения температуры теплоносителя
при постоянном давлении, а также при
других режимах, обычных для
условий эксплуатации станции. Анализ
графиков изменения деформаций и
температур, полученных при
проведенных режимах, позволяет также
установить для других температурных
режимов закономерности изменения
температурных напряжений в
зависимости от изменения температуры
теплоносителя и температурного поля в
точках корпуса.
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ НАТУРНОЙ
ТЕНЗОМЕТРИИ КОРПУСА
РЕАКТОРА
Данные тензометрических
исследований конструкции в натурных
условиях дают возможность получить
значения напряжений и деформаций
в наиболее опасных с точки зрения
прочности корпуса точках.
При измерениях в натурных
условиях на станции одновременно
регистрируются основные параметры
работы первого контура (давление в
корпусе и температура теплоносителя).
Все записи должны быть
синхронизированы по времени. В результате всех
измерений получают данные при
разогревах реактора, при разных скоростях
расхолаживания, различных
эксплуатационных режимах, а также проводят
периодическую запись стационарной
работы реактора в течение года.
Так как переходные процессы
регистрируются непрерывно и
продолжительность их значительная, то для
удобства анализа полученных
результатов строят графики изменений
относительных деформаций во времени
в среднем через каждый час. Кроме
того, на эти графики наносятся
кривые изменения во времени внутреннего
давления в первом контуре и
температуры теплоносителя.
Для стационарных режимов, в том
числе для режима работы реактора
на 100 %-ной мощности, составляют
таблицы напряжений и температур
по узлам корпуса реактора.
На рис. 10 дан пример показаний А
тензорезисторов 1 и 2, позволяющих
определить относительные
деформации е = 5,6- 10~б А в
меридиональном (2) и кольцевом (/) направлениях
основного сварного шва,
соединяющего обечайку зоны патрубков с
верхней частью корпуса. Меридиональные
деформации, наиболее
чувствительные к изменениям температуры,
достигают максимума в конце разогрева
(через 5 ч). После стабилизации
температуры теплоносителя деформации

Основные данные натурной тензометрии корпуса реактора
155
р,МПа
/О
5Y
О1--*1
200
23 г, ¥ 32
Рис. 10. Пример изменений показаний Л тензорезисторов полученных тензометрией
в зоне основного сварного шва корпуса при разогреве и быстром расхолаживании
реактора (р — давление в первом контуре реактора; t — температура теплоносителя)
постепенно уменьшаются до значения,
соответствующего стационарному
тепловому состоянию.
При расхолаживании со скоростью
40 °С/ч на внешней поверхности
корпуса напряжения снижаются. Это
связано с тем, что от давления в корпусе
на внешней поверхности в
большинстве точек возникают растягивающие
напряжения, а снижение температуры
корпуса охлаждением теплоносителя
обусловливает возникновение в
большинстве точек внешней поверхности
сжимающих напряжений. Влияние
наплавки при расхолаживании может
приводить к дополнительному
снижению растягивающих напряжений на
внешней поверхности.
Из анализа результатов измерений
следует, что при расхолаживании
напряжения на внешней поверхности
уменьшаются во всех наиболее
напряженных точках, а также в шпильках.
В активной зоне под наплавкой в
основном металле при расхолаживании
наибольшие суммарные напряжения
снижаются. При расхолаживании в
основном сварном шве напряжения в
металле шва под наплавкой уменьшаются
вследствие действия изгибающего
момента, вызывающего сжимающие
напряжения на внутренней поверхности
шва.
На рис. 11 показаны изменения
напряжений при разогреве (а) и
расхолаживании (б) в зоне верхнего патрубка
аппарата.
При стационарных режимах,
соответствующих рабочему,
температура на наружной поверхности
сравнительно тонкостенных частей
корпуса, внутренние стенки которых
непосредственно омываются
теплоносителем (патрубки, цилиндрическая
часть корпуса), практически равна
температуре теплоносителя. В точках
других частей корпуса (шпильки,
нажимное кольцо, бандаж, опорное
кольцо) температура при стационарных
режимах существенно отличается от
температуры теплоносителя. Так,
температура верха бандажа при
стационарном режиме ниже температуры
теплоносителя на 80—90 °С, а бандажа на
30—40 °С. Это различие температур
по высоте бандажа обусловливает в нем
соответствующую угловую
деформацию. Нажимное кольцо при
стационарном состоянии оказывается
прогретым более равномерно, и разность
температур между низом и верхом
кольца составляет около 15 °С.
Средняя температура нажимного кольца
на 20—25 °С ниже средней температуры
шпилек, в результате чего снижаются
растягивающие напряжения в
шпильках, полученные при затяге. Ввиду
того, что температура фланца корпуса
на 20 °С выше температуры верха
нажимного кольца, увеличивается
изгиб шпилек.

156 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
t,°C 6, МПа
20О
200
1SO
70 О \-/00
SO
L- *^
"^
„^
'£
7
S
J
„>—
>--
1 t
ffir
^
.—_
—-^
.——-
2JS
1IIV
г —
о о
t°C 6, МПа
200\
10 О \-
D L -W
Рис. 11. Напряжения о (МПа) в зоне боковых патрубков при постоянном давлении
р = 10 МПа и меняющейся температуре t теплоносителя в первом контуре
При переходных тепловых режимах,
в том числе при резком
расхолаживании и разогреве, изменение
температуры в точках измерений на корпусе
значительно отстает от изменения
температуры теплоносителя.
Напряжения в характерных точках
наружной и внутренней поверхностях
корпуса, на наружной поверхности
крышки, прогибы и углы поворота
крышки, а также напряжения и
усилия в шпильках получаются от за-

Основные данные натурной тензометрии корпуса реактора
157
тяга, внутреннего давления и
тепловых нагрузок. Определение этих
данных необходимо для оценки
допустимости того или иного режима по
условиям прочности корпуса реактора.
Наибольшие напряжения (МПа) на
наружной поверхности в основных
точках одной из конструкций корпуса
реактора при 100 %-ной мощности,
давлении 10 МПа и температуре
теплоносителя 270 °С (с учетом напряжений
от затяга), по данным тензометрии,
составляют: 1) в гладкой части
шпильки: осевое растяжение 130 и осевое
растяжение с изгибом внизу 360;
2) в нажимном кольце на внешней
стороне: в верхней кромке 125 и
нижней 60; 3) в бандаже на внешней
стороне: в верхней кромке 125 и нижней
60; 4) верхний патрубок по шву
приварки к корпусу: наибольшие
напряжения получаются на боковой
образующей — меридиональные ' от = 130
и кольцевые аф = 120; 5) около шва
приварки к трубопроводу; наибольшие
напряжения на верхней образующей
от = 125 и Gm= 80; 6) в
трубопроводе с Ду = 500 около шва приварки
к верхнему патрубку на верхней
образующей от= НО и аф= 120; 7) в
нижнем патрубке по шву приварки
к корпусу на боковой образующей
ат = 90 и аф = 85; 8) в
цилиндрической части корпуса от = 110 и аф =
= 180.
Напряжения и деформации в
элементах главного разъема корпуса реактора
находят решением контактной задачи
с учетом деформаций примыкающих
элементов. Надежность работы
элементов главного разъема корпуса
реактора проверяют испытаниями при
различных режимах работы с
проведением при этом тензометрии. Пример
получаемых результатов тензометрии
для корпуса реактора с плоской
крышкой показаны на рис. 12. На рис. 12, а
приведены напряжения от осевой силы
и изгибающих моментов в шпильках:
1 — среднее по четырем шпилькам
осевое напряжение; 2 и 3 —
наибольшее (шпилька № 11) и наименьшее
(шпилька № 46) осевые напряжения
из четырех шпилек; 4 и 5 — средние
по четырем шпилькам изгибные
напряжения вверху (по А—А) и внизу
(по В—В) шпилек /, //, ///, IV.
На рис. 12, б показаны наибольшие
и наименьшие суммарные напряжения
в верхнем и нижнем сечениях (А—А
и В—В)\ 1 и 2 — наибольшие на
наружной (по В—В) и внутренней (по А—А)
поверхностях шпилек; 3 и 4 —
наименьшие по наружной (по А—А)
и внутренней (по В—В) поверхностях
шпилек; на рис. 12, б — средние
температуры шпилек в верхней части
корпуса, 1 и 2 — вверх и низ шпилек;
3 и 4 — верх и вниз нажимного кольца;
5 — верх бандажа; 6 — наружная
поверхность цилиндрической части
корпуса по высоте активной зоны.
Данные тензоизмерений позволяют
определить значения действующих
напряжений при различных режимах,
возможных при эксплуатации
реактора, и подтвердили правильность
примененного метода расчета напряжений
и выбора допустимых режимов работы
реактора.
Опыт тензометрии различных
конструкций корпуса реактора
показывает возможность исследований при
более жестких условиях и длительных
измерениях.
Зоны одиночных отверстий в
стенках корпуса и патрубков имеют
неравномерное распределение
напряжений. Для оценки наибольших
напряжений в этих зонах по данным натурной
тензометрии необходимо знать
распределение напряжений. Эта задача
решается расчетом, на тензометриче-
ских моделях или поляризационно-
оптическим методом. Для
аналитического расчета прямых цилиндрических
отверстий в стенке корпуса имеются
справочные данные [13, 18].
Расчетная оценка распределения
напряжений в зонах цилиндрических косых
отверстий (ось не по нормали к
поверхности стенки) при объемном
напряженном состоянии трудно
выполнима. Поэтому задачу решают с
применением экспериментальных методов
на модели или на натурной
конструкции. Результаты исследования
распределения напряжений на объемных
просвечиваемых моделях поляр иза-
ционно-оптическим методом приведены
в работе [17]. В ней показано, что
наибольшие кольцевые напряжения
возникают на острой кромке отверстия
и возрастают с увеличением угла между

158 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
6,МЛа
-50У
Рис. 12. Изменение напряжений и температур в шпильках реактора при энергопуске и
расхолаживании (внутреннее давление 10 МП а)

Основные данные натурной тензометрии корпуса реактора
159
А-0
О-В
Рис. 13. Зональная модель центральной части перфорированной крышки корпуса
реактора и напряжения от действия изгибающих моментов, полученные по ней с применением
замораживания
осью отверстия и нормалью к
поверхности.
Распределение напряжений в
одиночных патрубках или патрубках
перфорированной стенки можно
определить на тензометр ических моделях
всей конструкции с применением
хрупких тензочувствительных покрытий,
оптически чувствительных наклеек
(или вклеек) и малобазовых тензорези-
сторов. Возможно также применение
моделей отдельных зон конструкции
(зональных моделей), которые могут
быть выполнены в достаточно большом
масштабе. Объемные зональные
модели исследуют с применением
замораживания* поляризационно-оптиче-
ским методом. При этом для
зональных моделей необходимо находить
граничные условия, что может быть
сделано расчетом или с применением
модели всей конструкции без
конструктивных подробностей.
На рис. 13 показана зональная
модель центральной части
перфорированной сферической крышки корпуса
реактора. В связи с относительно
большим радиусом крышки в модели
патрубки установлены на плоской
пластине. По контуру модели приложены
нагрузки, соответствующие
мембранным усилиям и изгибающим моментам
в соответствующем месте натурного
корпуса, которые определяются
методами строительной механики. Модель
содержит три ряда патрубков для
определения напряжений по
центральному патрубку, удаленному от
контура модели. На рис. 13 даны
полученные поляризационно-оптическим
методом с применением замораживания
эпюры меридиональных от и
кольцевых напряжений аф при нагрузке
изгибающими моментами Мизг в двух
взаимно перпендикулярных
плоскостях. Так как напряжения выражены
через номинальные оном =
то указанные значения напряжений
относятся как к модели, так и к
натурной конструкции.
Зоны косых патрубков сосудов с
внутренней антикоррозионной наплавкой
воспринимают силовые и
температурные нагрузки. Натурные тензометри-
ческие исследования
напряженно-деформированных состояний в этих зо-

/
160 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ '"
Рис. 14. Схемы косых патрубков с на*
плавкой:
а *— натурная конструкция; б '-* модель
нах проводят с учетом предварительно
получаемых данных расчета и
измерений на моделях. Эти данные позволяют
выбрать схему расположения тензо-
резисторов и провести оценку
напряжений в тех местах этой зоны, где не
могут быть установлены тензорези-
сторы. Кроме того, с использованием
этих данных находят наибольшие
значения деформаций на базах тензорези-
сторов.
Рассматриваемые зоны патрубков
сосудов являются местами повышенных
напряжений вследствие резкого
изменения геометрии сосуда и
неоднородности материала для привариваемых
патрубков. Имея более тонкие стенки
по сравнению с сосудом, патрубок
быстрее прогревается от теплоносителя,
что создает высокие температурные
напряжения в зоне приваривания.
Существующими нормами [1]
рекомендуется проводить расчет
напряжений и перемещений в патрубках с
применением теории оболочек и пластин.
Патрубок переменной толщины
представляют в виде системы осесимме-
тричных оболочек, пластин и колец,
а прилегающую зону сосуда —
толстой плитой. При этом учитывают
совместность радиальных и угловых
перемещений элементов патрубка и
сосуда, однако затруднен учет неосе-
симметричности конструкции в случае
цилиндрического сосуда с патрубком,
либо косого патрубка в крышке или
днище сосуда. На рис. 14, а показан
косой патрубок в крышке сосуда
(1 — патрубок; 2 — сварной шов;
3 — наплавка; 4 — крышка). При
действии температурного поля и в
случае неоднородности материалов
патрубка расчет по теории оболочек и
пластин становится недостаточным, тан
как при этом не учитываются
поперечные к толщине стенки патрубка
свободные температурные деформации.
Более точный учет объемного
распределения деформаций и напряжений
в зоне приваривания осесимметричного
патрубка выполняется численно
методами теории упругости, а для не-
осесимметричного патрубка и в зонах
перфорации экспериментально, с
помощью поляр изационно-оптического
метода. Температурные напряжения
при этом определяют с помощью
механического моделирования, особенно
удобного для исследования
разнородных соединений. Модель склеивают
из частей, соответствующих участкам
с одинаковым температурным
коэффициентом линейного расширения. После
склеивания модель размораживают.
Далее с помощью поляр изационно-
оптического метода определяют
напряжения в зоне приваривания
патрубка к выпуклой крышке сосуда
давления. Поверхность крышки имеет
наплавку из того же материала, что
и сварной шов. Температурные
коэффициенты линейного расширения
отличаются от коэффициентов основного
металла крышки и патрубка.
В рабочих условиях, когда проводят
натурную тензометрию, напряжения
возникают от давления в сосуде,
температурного поля, обусловленного
теплоносителем, и различия
температурных коэффициентов линейного
расширения. Расчетная оценка показала,
что наибольшие напряжения
возникают вследствие различия
коэффициентов линейного ресширения сварного
шва, наплавки и основного металла.
Для определения этих напряжений
модель выполняют из трех частей с
некоторым упрощением сопряжения
сварного шва с патрубком (рис. 14, б).
Это сопряжение выполняют по
плоскости вдоль наплавки, а не по
пространственной поверхности, как в натурном
патрубке.
В пространственном стыке,
соответствующем натурному, распределение
напряжений соответствует коническому
стыку с учетом относительного сме-

Основные данные натурной тензометрии корпуса реактора 161
щения вдоль оси. Абсолютные
значения напряжений oz на острой кромке
вблизи стыка растут с уменьшением
ее угла.
Для механического моделирования
в модели (рис. 14, б) термоупругих
напряжений, возникающих при
увеличении в натурном патрубке
температуры по всем точкам на величину At
при коэффициентах линейного
расширения аг = а3 Ф а2, достаточно
создать (заморозить) однородные
деформации Дем только в элементе 2,
одинаковые во всех направлениях,
параллельных плоскости стыка. Элемент 2
модели изготовлен механической
обработкой из плоского диска
эпоксидного материала ЭД6-М с
предварительно замороженными деформациями Аем,
полученными при равномерном
радиальном давлении р по круговому
контуру диска и равными Аем = (1 —
—цм) р/Ем. После склейки элементов /
и 3 модели с предварительно
замороженным элементом 2 модель размораживают
и в ней возникают деформации,
соответствующие искомым термоупругим
напряжениям. Их замораживают при
охлаждении модели до нормальной
температуры. Эти напряжения
измеряют в поляризованном свете на
срезах, как обычно в объемных моделях.
Могут быть применены два способа
пересчета измеренных в модели
напряжений ам на термоупругие
напряжения ан в натурной конструкции.
Первый способ*.
£нП--1*м) Аем
£м(1— |*н) Лен
где £н, £м, fiH, цм— модули
продольной упругости и коэффициенты
Пуассона материалов натуры и модели;
Ден = (оса — аг) А/; Дем —
относительная деформация в плоскости элемента 2
(см. рис. 14, б), созданная и
предварительно замороженная в нем при
радиальной нагрузке (Ден/Дем =
= Кг — масштаб моделирования
темпера. 0)
ратурных деформаций); ам =
ная материала модели при толщине
среза 1 см; t — толщина среза, см;
т — порядок полосы интерференции,
полученный при просвечивании среза.
Напряжения при замораживании
элементов модели не должны превосходить
предела пропорциональности
материала модели при температуре
замораживания (0,6—0,8 МПа). Этим
определяется радиальное давление р =
= 0,6 МПа при замораживании диска,
из которого вырезают элемент 2
модели, так как в диске о> = аф = р.
Для исследованной модели патрубка
£н = 2- 10б МПа; £м = 25 МПа; \iH =
= 0,3; \iM = 0,5; деформация в
плоскости диска (заготовка элемента 2
модели) при приложенном радиальном
давлении р = 0,6 МПа равна Дем =
= (l-|iM)p/£M = 1,2-10-2; Ден=
= (аа — ах) Д* = 7,56-10~4. Это
приводит к зависимости ан = 360 ам.
По градуировочному образцу aj,0 =
= 0,03 МПа/см. Отсюда при толщине t
среза, выраженной в миллиметрах,
о„ = 36
0,037 т
0,1 t
« 131
■МПа.
Второй способ применим, если в
точке натуры, соответствующей
рассматриваемой, напряжения известны или
могут быть подсчитаны
(самоградуируемая модель). В случае
рассматриваемого патрубка может быть
использован перепад термоупругих
напряжений Да в стыке наплавки и крышки
корпуса в зоне D (см. рис. 14, б),
удаленной от края элемента 3 и от гал-
тельного перехода. Пересчет проводят
по формуле
он = ДогнОм/Дам.
где
. EHAaAt <
/л,
нормальные напряжения на
поверхности модели вдоль контура среза
(или разность квазиглавных
напряжений для точек внутри контура
среза); а[>1,0) — оптическая постоян-
6 Дайчнк м. Л. и др.
1— М<н
Дам =-±j— Am.
Отсюда для напряжений в других
точках рассматриваемого патрубка с
использованием самоградуировки
модели имеем:
EHAaA/ t{D) т
1 — ц,н Am

162 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 15. Картина полос интерференции и полученные по ней эпюры меридиональных
напряжений в зоне стыка двух разнородных материалов
Для исследуемой модели патрубка
(см. рис 14, б) по срезу по данным
замеров в зоне D с применением
компенсатора получено Am = 5,94 при
t<t>) = 3,7 мм. Отсюда ан = 134 m/t,
где t — в мм. По обоим способам
получены близкие значения, и для
пересчета принято ан = 131 m/t МПа.
Меридиональные напряжения
определяют по трем срезам в осевых
плоскостях модели патрубка. Построенная
для сечения А—Л эпюра т порядков
полос, дающих меридиональные (в
плоскости среза) нормальные
напряжения, приведена на рис. 15 для
отдельной зоны среза. Построенная по
эпюре полос интерференции (см.
рис. 15) эпюра напряжений приведена
на рис. 16 для натуры. Кольцевые
напряжения определены на наружной
и внутренней сторонах среза.
На объемных упругих моделях по-
ляризационно-оптическим методом
определяют основные составляющие
напряженного состояния патрубка.
Температурные меридиональные и
кольцевые напряжения при равномерном
изменении температуры патрубка и
крышки на 210 °С соответствуют
различию радиальных перемещений
вследствие неравенства значений а0сн м—
= 12,5-1СГб0С и анапл=1б,1Х
X10~6°C-1. Наибольшие по
абсолютным значениям напряжения (в
осевых плоскостях патрубка) получаются
по стыкам материалов с различными а
и в слое наплавки крышки вблизи
малого радиуса сопряжения.
Исследование термоупругих
напряжений в рассмотренной конструкции
может быть проведено тем же методом
при различных отклонениях размеров
и формы зоны косого патрубка.
Напряжения в патрубке и в зоне
его сопряжения с крышкой корпуса
реактора исследуют также
высокотемпературной натурной тензометрией в
условиях пусконаладочных
испытаний реактора. Исследования проводят
в соответствии с разработанной мето-

Основные данные натурной тензометрии корпуса реактора
163
Рис. 16. Эпюры меридиональных
напряжений (МПа) на внешней и внутренней
поверхностях косого патрубка,
построенные по картинам полос
дикой выполнения натурных
исследований оборудования. Возможная схема
расположения измерительных точек
приведена на рис. 17. В каждой
измерительной точке в сечении патрубка,
проходящем через ось реактора,
устанавливают два рабочих термостойких
привариваемых тензор езистор а типа
НМТ-450 с базой 5 мм и
ориентированных в двух взаимно
перпендикулярных направлениях, соответствующих
меридиональному и кольцевому
направлениям для патрубка. В двух
измерительных точках,
расположенных в сечении, перпендикулярном
к меридиональной плоскости корпуса
реактора, должны быть установлены
розетки из трех тензорезисторов,
расположенных под углом 45° друг к другу.
В каждой измерительной точке
устанавливают термопары. Учитывая
сложность форм сопряжения патрубка
с крышкой сосуда, при измерениях
также применяют специальные тензо-
резисторы с криволинейной
подложкой, кривизны которых были
соответственно равны кривизне поверхности
зоны сопряжения в месте установки
тензорезисторов.
Компенсационные тензор езисторы
устанавливаются рядом с рабочими
на пластинах, изготовленных из
металла, соответствующего металлу
конструкции в каждой измерительной
точке. Все измерительные точки долж-
6*
Рис. 17. Расположение тензорезисторов
и термопар на внешней поверхности
патрубка при тензометрии реактора в
эксплуатационных режимах
ны иметь защиту от влаги и
механических повреждений.
Коммуникационные линии от рабочего и
компенсационного- тензорезисторов в зонах
воздействия повышенных температур должны
иметь одинаковую длину для
исключения погрешности, связанной с
температурным изменением
сопротивления проводов.
Натурные исследования проводятся
на различных режимах, включая:
1) гидроиспытания при внутреннем
давлении р — 12,5 и 19,5 МПа; 2)
разогрев до стационарного состояния;
3) стационарное состояние при р =
= 12,5 МПа и t= 260 °С; 4)
расхолаживание с выдержкой при р = 3 МПа
и /= 152 °С.
Наибольшие напряжения,
полученные при натурной тензометрии косого
патрубка в стационарном режиме
работы сосуда, приведены в табл. 1.
Опорные конструкции корпусов и
сосудов давления выполняют в виде
осесимметричного выступа на цилин-

164 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЕ
Рис. 18. Узел сопряжения корпуса и
конической опорной оболочки
дрической части корпуса, либо
сопряженной с днищем опорной
тонкостенной оболочки или ряда расположенных
по кольцу стоек. Опорная
конструкция вызывает местное повышение
напряжений и деформаций в реакторе,
связанное с местным изменением
геометрии корпуса реактора или с
локальным приложением нагрузок
(рис. 18). Имеется резкое изменение
температуры в зоне сопряжения
корпуса сосуда с опорными элементами.
Целью исследования напряжений в
таком узле является определение
напряжений в месте радиусного сопряжения
тонкостенной опорной оболочки с
толстостенным днищем, а также учет
возмущения этого напряженного
состояния, вызванного вырезами в опорной
оболочке.
В части зоны сопряжения опорной
оболочки с днищем, удаленной от
вырезов, может быть применена осе-
симметричная расчетная схема. При
этом расчет всей конструкции
численным методом теории упругости
затруднен относительной тонкостенно-
стью конструкции. Поэтому
целесообразно для такого расчета выделять
такую часть конструкции, для
которой граничные условия могут быть
с достаточной точностью определены
по теории оболочек. В этом случае
возможно подробное исследование зоны
радиусного сопряжения оболочек, где
ожидаются наибольшие напряжения.
При этом влияние изменения
геометрии и температурного поля
уменьшается в пределах выбранной,
расчетной области, не достигая ее границ.
Для учета особенностей
напряженного состояния, вносимых вырезами,
1. Сопоставление данных натурной
тензометрии и поляризационно-
оптического метода для косого
патрубка при 210 °С
Номер
точки
измерения
1
2
3
4
5
6
Данные
натурной
тензометрии
— 13/8
— 158/—157
— 17/—30
—20/40
—30/—94
— 167/—151
Данные
поляриза-
ционно-
оптического
метода
—40/145
—210/—157
—65/—10
—23/13
—51/—93
— 168/—162
Примечание. В числителе
приведены значения ат, в знаменателе ас
(МПа) [4].
целесообразно экспериментальное
исследование на замораживаемой поляри-
зационно-оптической модели с
детальным воспроизведением зоны
сопряжения оболочек и имеющихся
радиусных переходов.
Граничные условия в верхнем
сечении зоны днища задают в виде
линейно распределенных по толщине
днища меридиональных напряжений
и радиальных перемещений, в нижнем
сечении — в виде осевых и
радиальных перемещений. Длину
примыкающего к днищу участка опорной
оболочки выбирают с учетом затухания
в ней напряжений от краевых усилий
в месте ее стыка с днищем. В
найденном таким образом краевом сечении
опорной оболочки заданы осевые
напряжения от собственной силы
тяжести сосуда и радиальные
перемещения от собственного температурного
поля в этой оболочке.
Экспериментальные исследования
напряжений в неосесимметричном узле
сопряжения днища сосуда с опорной
оболочкой, имеющей прямоугольные
вырезы, проводят на объемных поля-
ризационно-оптических
замораживаемых моделях. Для определения
напряжений в местах радиусных переходов
оболочек и в области вырезов опорной
оболочки выполняют объемную зональ-

Основные данные натурной тензометрии корпуса реактора
165
ную модель. Нагружают модель
созданием в месте стыка оболочек
радиальных и угловых перемещений,
определенных расчетом по теории
оболочек для полной конструкции сосуда
с днищем и опорной оболочкой. При
этом учитывается внутреннее давление
в сосуде и температурное поле без
местного возмущения в сопряжении
оболочек. Для создания требуемых
перемещений применяют приклеенное
к оболочке массивное кольцо с
предварительно замороженными в нем
деформациями, полученными осесим-
метричным закручиванием кольца. При
размораживании модели эти
деформации освобождаются, и при кручении
кольца его перемещения передаются
опорной оболочке.
После размораживания путем
нагрева склеенной модели и
последующего ее замораживания при снижении
температуры до нормальной по срезам
модели определяют порядки т полос
интерференции, ,как в объемных
моделях. По ним получают напряжения
в модели, соответствующие заданным
краевым перемещениям опорной
оболочки.
Напряженное состояние,
определяемое условиями сопряжения днища
сосуда и опорной оболочки, имеет
следующие особенности.
Меридиональные напряжения в опорной
оболочке в сечении, удаленном от выреза,
в самой верхней ее части (возле днища)
значительно больше, чем в сечении по
боковой стороне выреза. Напряжения
в нижней части выреза, в том числе
по радиусному сопряжению
вертикальной и горизонтальной граней выреза,
оказываются значительно меньшими,
чем в верхней части опорной оболочки.
При этом изгиб в горизонтальной
плоскости практически отсутствует. В зоне
радиусного сопряжения боковой
стороны выреза с днищем напряжения
в горизонтальных плоскостях
отсутствуют.
Полученные максимальные
напряжения (МПа) в зоне сопряжения
опорной оболочки с днищем сосуда при
удалении от вырезов приведены в табл. 2.
Это сопоставление показывает
приемлемое соответствие максимальных
напряжений, полученных
экспериментальным и расчетным методами.
2. Сопоставление данных расчета и
измерения на моделях для сопряжения
опорной оболочки с корпусом
Метод
определения
На объемной
модели
По теории
упругости
По теории
оболочек (без
учета
концентрации)
Si
—270/180
—258/168
—208/186
0-2
—37/54
Примечание. В числителе
приведены данные для внутренней
поверхности, в знаменателе — для наружной
(МПа).
Узел натурной опорной конструкции
исследуют также методом
высокотемпературной тензометрии в период
пусконаладочных испытаний сосуда.
По результатам исследований поляри-
зационно-оптическим методом на
модели и натурной конструкции
(тензометрией) в зоне выреза в опорной
оболочке для измерительных точек 1
и 2 (см. рис. 18) при практически
одинаковых температурных состояниях
получены следующие значения
температурных напряжений (МПа):
Точка 1 2
Модель —112 —118
Натура ПО 100
Напряжения, полученные натурной
тензометрией, определены как
средние на базе тензорезисторов, равной
5 мм. Среднее квадрэтическое
значение погрешности результатов
натурных измерений на базе
тензорезисторов при температуре испытаний до
320 °С для зоны окна опорной оболочки
оценивается значением о = ±10 МПа.
Сопоставление результатов
проведенных исследований на модели и
натурной конструкции показывает, что
моделирование напряжений в зоне
выреза в опорной оболочке правильно
отражает напряженное состояние в

166 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ '
этой зоне и позволяет определить
уровень максимальных напряжений с
учетом концентрации.
ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
В ГЛАВНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ
ТРУБОПРОВОДАХ
В элементах трубопроводов с
напряжениями от силовых нагрузок
возникают значительные температурные
напряжения. Ввиду невозможности
полного моделирования на
экспериментальных стендах силовых и
температурных нагрузок, действующих на
трубопроводы в реальных условиях,
необходимы тензометр ические
исследования натурных конструкций в
начальный период эксплуатации.
Натурным тензометрическим
исследованиям должны предшествовать
расчетный анализ схемы трубопроводов,
тензометрические исследования
напряжений и перемещений на
металлических моделях системы трубопровода
и исследования распределения
напряжений поляр изационно-оптическим
методом на отдельных объемных
просвечиваемых моделях. Получаемые
результаты дают исходную информацию
об условиях работы трубопроводов,
необходимую для определения
допустимых режимов при эксплуатации
и оценке реальной прочности
конструкции [5].
Циркуляционные трубопроводы
имеют особенности, существенные при
проведении их тензометрических
исследований: большое число
криволинейных участков с искаженным
контуром поперечного сечения и
значительное число зон концентрации
напряжений; разнообразие внешних
нагрузок, воспринимаемых
трубопроводом; высокая термическая
напряженность в связи с возникающими
резкими изменениями температурного
режима, создающими высокие градиенты
температур; наличие в трубопроводе
элементов, влияние которых на усилия
и напряжения в трубопроводах
требует экспериментальной Проверки
(корпус задвижки, опорные
устройства, корпус насоса и др.).
Проводимые в лаборатории
исследования должны включать в себя
изучение распределения напряжений в
основных узлах трубопровода при
действии силовых нагрузок,
определяемых расчетом. Для определения
напряжений в элементах
трубопровода, где создается высокая
концентрация напряжений и обычно имеет место
объемное напряженное состояние,
наряду с тензометрией применяют поля-
ризационно-оптический метод.
Измерения на натурных коленах
трубопровода, нагружаемых на стенде
внутренним давлением и изгибающими
моментами, позволяют оценить
напряжения с учетом возможной
неоднородности материала и упругопластиче-
ских деформаций.
Предварительное проведение
исследований на моделях позволяет
ограничить число точек измерений и
правильно выбрать их расположение при
тензометрии натурной конструкции
трубопроводов в условиях
эксплуатации. Далее для оценки прочности
трубопроводов необходима их натурная
тензометрия, так как тепловые режимы
переходных процессов практически
невозможно воспроизвести на моделях.
Для определения напряжений в
натурных циркуляционных
трубопроводах ria станции тензорезисторы
устанавливают в наиболее напряженных
сечениях, выбранных по результатам
расчета и исследований
металлических моделей трубопровода и моделей
отдельных узлов. В большинстве
точек трубопровода направления двух
искомых главных напряжений
известны, что позволяет ограничиться
установкой в каждой из них двух
тензорезисторов с взаимно
перпендикулярными базами. Большую часть
тензорезисторов располагают на
криволинейных участках трубопровода в
сечениях с максимальной кривизной
трубопровода и в местах
присоединения трубопроводов к патрубкам
реактора, коллекторам
парогенераторов, насосам и арматуре.
Компенсационные тензор езисторы
устанавливают на пластинках рядом
с рабочими тензорезисторами так,
чтобы они имели возможность свободного
линейного расширения при
нагревании. Показания тензорезисторов при
обработке результатов, получаемых
при быстроменяющихся температурах

Напряжения в главных циркуляционных трубопроводах 167
6,МЛа
80
hO
-НО
i\
X
Къ**ч
\
*■—
^J
к
1
1
/
-^-
— j*^
б,МПа
а)
12 Т,¥
Рис. 19. Меридиональные о (-
-) и кольцевые а (
Ф
-—) напряжения на

прямом участке трубопровода при расхолаживании петли,^полученные тензометрией:
/ — давление в петле; 2 и 3 — температуры соответственно в верхней и нижней точках
сечения трубопровода; 4 и 5 — температурные напряжения в тех же точках; 6 —
суммарные напряжения в нижней точке сечения трубопровода
сечения трубопроводов, корректируют
по температурным характеристикам
каждого тензорезистора по
измеренной величине температурного
перепада. Монтаж измерительной схемы
на станции включает в себя защиту
тензорезисторов и соединительных
линий металлическими колпаками и с
помощью трубок. Соединительные линии
от тензорезисторов и термопар,
устанавливаемых на внешней поверхности
трубопроводов, разводят на несколько
герметичных клеммных коробок,
размещенных в боксах насосов и
парогенераторов. От клеммных коробок
до регистрирующих приборов
соединительные линии выполняют из трех-
жильного экранированного кабеля,
укладываемого в стальных коробках для
защиты от магнитных полей,
создаваемых при работе насосов (см. гл. 6).
Тензоизмерения на натурных
трубопроводах при гидроопрессовке
первого контура хорошо подтверждают
результаты на моделях и отдельных
натурных коленах. Эти измерения
также показывают преобладающее
влияние внутреннего давления на
напряжения в коленах по сравнению
с другими видами силовых нагрузок
в трубопроводе. При стационарных
режимах напряжения в коленах
трубопроводов обусловливаются главным
образом действием внутреннего
.давления и изгибающих моментов в
плоскостях колена и в плоскости,
перпендикулярной к нему. При
нестационарных тепловых режимах
дополнительно к напряжениям от внутреннего
давления, силовых нагрузок и
самокомпенсации в трубопроводах
возникают температурные напряжения.
Основными тепловыми режимами,
вызывающими температурные
напряжения в трубопроводах, являются
расхолаживание всего контура или
отдельных петель при выключенных
циркуляционных насосах, подключение
петель к реактору при различных
тепловых состояниях контура и петли,
а также сброс кассет аварийной
защиты. При каждом из этих режимов
характер температурного поля
трубопроводов различен. Напряжения на
внутренней поверхности трубопровода
оценивают путем расчета по
напряжениям, измеренным на внешней
поверхности, если известно
распределение температуры по толщине стенки
трубопровода [3].
Иллюстрацию данных, получаемых
натурной тензометрией трубопровода
при расхолаживании петли
трубопровода, отключенной резервными
задвижками, дает рис. 19. Приведены
суммарные (6) и температурные
напряжения (4 и 5) в верхней и нижней
наиболее напряженных точках сече-

168 НАТУРНАЯ ТЕНЗОМЕТРИЯ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ния трубопровода на прямом участке.
Как следует из полученных
результатов, наибольшие температурные
напряжения возникают в нижней части
трубопровода. Тензоизмерения
показали, что аналогичный результат
получается при расхолаживании всего
первого контура. Показанный на
рис. 19 случай расхолаживания петли
при отсутствии циркуляции
теплоносителя представляет собой более
мягкий режим, чем расхолаживание
подачей холодной воды, и,
соответственно, температурные напряжения
оказываются примерно в 2 раза меньшими.
Весьма важным нестационарным
режимом, при котором могут возникать
в трубопроводе значительные
температурные напряжения, является, как
показали тензоизмерения, аварийная
остановка реактора системой
аварийной защиты.
Вибрация трубопроводов,
возникающая в связи с большой скоростью
потока теплоносителя и пульсацией
давления в трубопроводе, вызывает
переменные напряжения с большим
числом циклов. Наиболее
значительные амплитуды вибрации создаются
в «горячих» нитках петель.
Например, наибольшие размахи колебаний
частей трубопроводов одной из
конструкций реактора при рабочем
режиме, по данным измерений,
составляли следующие величины (мм):
Попе- Про-
речные дольные
Середина «горячего»
трубопровода 0,7 —
Корпус главного
циркуляционного насоса ... 0,2 0,2
Задвижка перемычки
Ду-200:
при наличии
циркуляции 1,5 1,1
при отсутствии
циркуляции ....... 0,5 0,4
Проведенные при различных
рабочих режимах измерения
динамических деформаций показали, что в
стенках главных трубопроводов и в зонах
сопряжения трубопроводов с
корпусом реактора, парогенератором,
насосом вибрационные напряжения в
рассматриваемой конструкции реактора
не превышают 5 МПа.
Результаты проведенных тензоме-
трических исследований
рассмотренной конструкции реактора на моделях
и натурных трубопроводах при
стационарных и переходных режимах
были использованы при
проектировании трубопроводов, оценке их
прочности с учетом конструктивных и
технологических особенностей, а
также при выборе эксплуатационных
режимов работы электростанции.
Более полные сведения о проведении
натурных тензометр ических
исследований трубопроводов на
электростанции приведены в работе [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борткевич В. И., Михалев Ю К.,
Пригоровский Н. И. Хуршудов Г. X.
Натурные исследования напряжений в
корпусах реакторов атомных электро-
станций//Исследование температурных
напряжений. М.: Наука, 1972. С. 176—182.
2. Григолюк Э. И., Фильштин-
ский А. А. Перфорированные пластины
и оболочки. М.: Наука, 1970. 556 с.
3. Дверес М. Н., Фомин А. В. Рас-
четно-экспериментальные методы
определения полей деформаций и напряжений//
Методы и средства определения полей
деформаций и напряжений. М.:
Машиностроение, 1983. С. 217 — 235.
4. Дверес М. Н., Евстратов Б. Н.,
Михалев Ю. К., Хуршудов Г. X.
Исследование напряжений в зонах косого
патрубка и опорной конструкции сосуда//
Методы исследования напряжений в
конструкциях энергетического оборудования.
М.: Наука, 1983. С. 37 — 51.
5. ДранченкоБ. Н., ПригоровскийН. И.
Исследование напряжений в главных
циркуляционных трубопроводах
Нововоронежской атомной электростанции//Иссле-
дование температурных напряжений. М.:
Наука, 1972. С. 183 — 208.
6. Исследования напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1980. 120 с.
7. Исследование температурных
напряжений/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1972. 228 с.
8. Когаев В. П., Махутов Н. А.,
Гусенков А. П. Расчеты деталей машин
и конструкций на прочность и
долговечность. М.: Наука, 1985. 224 с.
9. Методы исследований напряжений
в конструкциях энергетического оборудо-

Список литературы
169
вания/Под ред. Н. И. Пригоровского,
М.: Наука, 1983. 181 с.
10. Напряжения и деформации в
деталях и узлах машин/Под ред. Н. И.
Пригоровского. М.: Машгиз, 1961. 564 с.
11. Никитин С. В., Пригоровский Н. И.,
Хуршудов Г. X. Тензометрические модели
из полимерных материалов при
исследовании напряжений и перемещений в
тонкостенных конструкциях//Эксперименталь-
ные исследования и расчет напряжений
в конструкциях. М.: Наука, 1975. С. 58 —
75.
12. Нормы расчета на прочность
элементов реакторов, парогенераторов,
сосудов и трубопроводов атомных
электростанций, опытных и исследовательских
ядерных реакторов и установок. М.:
Металлургия, 1973. 408 с.
13. Петерсон Р. Коэффициенты
концентрации напряжений: Пер. с англ. М.:
Мир, 1977. 302 с.
14. Пригоровский Н. И., Панских В. К.,
Ставицкий А. И. Исследование
напряжений и деформаций при'стендовых
испытаниях несущих
конструкции/Машиноведение. 1984. № 7. С. 24 — 30.
15. Пригоровский Н. И. Методы и
средства определения полей деформаций
и напряжений. М.: Наука, 1983. 248 с.
16. Прочность конструкций при
малоцикловом нагружении/Под ред. Н. А. Ма-
хутова и А. Н. Романова. М.: Наука,
1983. 272 с.
17. Разумовский И. А. Объемное
напряженное состояние в зонах одиночных
отверстий в крышках корпусов и сосудов//
Экспериментальные исследования и расчет
напряжений в конструкциях. М.: Наука,
1975. С. 110-126.
18. Савин Г. Н. Распределение
напряжений около отверстий. Киев: Наукова
думка, 1968. 198 с.
19. Экспериментальные методы
исследования деформаций и напряжений в
конструкциях/Под ред. Н. И. Пригоровского.
М.: Наука, 1977. 150 с.

Приложение 1 ЗАВИСИМОСТИ
ДЕФОРМАЦИЙ
И НАПРЯЖЕНИЙ
Деформации и напряжения в
рассматриваемой точке детали.
Деформированное состояние в точке выражается
в виде тензора деформаций и
определяется шестью величинами [12]. Этими
величинами могут быть: относительные
линейные деформации ех, еу, е2 и
относительные сдвиги уху, yyz, yZXt
или же три главные деформации
Ч>4>4 и углы фа1, фу2, ф28
их направлений с осями координат х,
Деформации при плоском
напряженном состоянии в точке поверхности
детали при отсутствии нагрузки.
Относительная линейная
деформация еф в направлении под углом ф
к оси х связана с деформациями ех, гу
и уху зависимостью
еф = ех cos2 ф + еу sin2 ф + >
+ Уху sin Ф cos Ф-
Если измерены три деформации 8
е , е по направлениям под
углами ф1э фа, ф8 к оси х, то по ним
можно подсчитать, пользуясь
приведенной зависимостью, деформации ех,
ъу, уху (метод плоской розетки).
При известных главных
деформациях ех и е2 относительная деформация
под углом ф0 к направлению /
определяется по формуле
еФ.=-Еф2- + -^^со82Фо.
Зависимости для подсчета главных
деформаций и их направлений по
замеренным линейным деформациям
приведены в табл. 1. Их используют при
определении деформаций с
применением тензорезисторов, поперечная тен-
зочувствительность которых мала и
может не учитываться. Выравнивание
случайных ошибок достигается
применением дополнительного тензорези-
стора в исследуемой точке (табл. 2).
Построение кругов деформаций
приведено в работе [8].
Деформации при объемном
напряженном состоянии (внутри объема детали
и в точках контакта деталей).
Деформированное состояние может быть
определено шестью относительными
линейными деформациями гх, еу, е2, е45/^
eA5/yz> в45/гх в направлениях *, у, г
и в плоскостях ху, угу гх под углом 45°
к осям. По этим измеренным
деформациям можно подсчитать для
рассматриваемой точки главные деформации
сдвига в координатных плоскостях:
Уху = 2*45/ху-(*х+*уУ>
Чуг = 2г4Б/уг-(*у + гг)>
Улх = 2*4Ь/гх-(?г + *х)
и главные деформации еь е2 и е3 как
корни кубического уравнения:
e?-(e* + <V + e*)eR
+ [e*ej, + е„ег + е2е» — (-^) -
— [e*ej,ez — гх (-^р) —
| УхуУугУхх 1 =0>
где /= 1, 2 и 3.

Зависимости деформаций и напряжений
171
1. Определение главных деформаций ех и е2 и их направлений
по замеренным деформациям вдоль баз тензометров
Тип
напряженного
состояния
и
расположение
тензометров
Измеряемые деформации
Расчетные формулы
Тензометры установлены по известным направлениям
главных деформаций
**т
Линейное

напряженное
состояние (в
направлении
ex)
База
тензометра
е1 — е0; е2 це0
ei ~» е2 — е90
г
ei =
(1 - |i) + (1 + ц) cos 2ф
e2 = __^е1
Плоское
напряженное
состояние
или плоская
деформация
вх = 80 (или вх = ев0);
е2 == С90 (ИЛИ в2 = ео)
е1.2 — "
вФ1 + еФ2 еФ1 i
'Ф2
2 cos фх

172
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Продолжение табл. 1
Тип
напряженного
состояния
и
расположение
тензометров
Измеряемые деформации
Расчетные формулы
Плоское
напряженное
состояние
или плоская

деформация. Углы
между
осью х и
осями
тензометров:
0; 45; 60;
120°
Главные направления неизвестны
Прямоугольная розетка
Равноугольная розетка
У\
е1,2
Уху — 2е4б — (е0 + е90);
2£45 — (вр -f~ e9p)t
Ч + е90 _,_ V2
tg 2ф0 =
X
2 -1- 2
хК(е0-е4Б)Ч(е45-У2
Уху — у~ (ев0 e12o)i
tg2фo
V 3 (е60 — е12р) t
2бр ввр 8^20
_ 1 V2
е1,2 о" (в0 + 860 4~ Е12о) ± п X
X К(е0—ев0)2+ (е0—е120)2+ (ев0—е120)2
Плоское
напряженное
состояние
или плоская
деформация:
углы между
осью х и
осями
тензометров:
0; +Ф; —ф
углы между
осью х и
осями
тензометров:
Фа» 4V Фс
tg 2ф0 =
Ь_ф
^8р —- 8ф — 8_ф
t'gq>;
еф — е_ф — 2е0 cos 2ф
1еь2= —«л ^ опл о *8Ф ±
2 (1 — cos 2ф) е0
8_го 8гг
-Ф "
СФ
2 sin 2ф sin 2ф0
tg2ф0
еа sin
(еа — е&) cos 2фс —
_ — ес) cos 2фь + (ес
(еа — ес) sin 2фс
+ (Ч — Ч) sin
е1,2 =
2фа+ ebsin 2ф^ + ес
(еа—
— Ч)
+
2фб
sin 2фс
sin 2фа + sin 2ф& + sin 2фс
VI
V
(ьа—Ч) [еа—(еа —ес)Х
Xcos 2фа] + (е^—ес) [е$—
—(еь—еа) cos 2фь]+ (ес—
—еа) [ес— (вс—£fr)cos2qc]
sin 2фа + sin 2фь + sin 2фс

Зависимости деформаций и напряжений
173
2. Измерения для исправления случайных погрешностей
при определении напряженного состояния в рассматриваемой точке
Измеряемые деформации
Расчетные формулы
"90 Л
Направления главных деформаций известны
/
-<*5
*v
5 . * 1
е2 = -
1.1 ,5
'"б"ео + Те45 + "б
<.\\
• *,
^
8i:
е2:
Звр -f- ^45 — 690 Т 6,45 .
4
—во ~Г £45 * ^®90 I Зб_45.
Ле. = Л«. = 0.87Л
Направления главных деформаций неизвестны
tg 2фо =
3 УЪ (в.бо — е60)
5бо — ®-во — ®во — ®90
2 1
ei,2 = -д- (ев0 + е.в0) + -jg- (7е0 + Зе90) ±
1/"§5т2фо '
V. е, = Л У Те" ± Т (C0S 2фо "" C0S8 2фо):
^Фо 3(е1~8а)
К 5 + cos 4ф0
Примечание. В главных напряжениях аг и а2 учитывают средние
погрешности х\е и т]е :

174
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
3. Виды напряженного состояния
Вид напряженного состояния
Схема элемента
Объемное напряженное состояние
Общий случай — ни одно из главных
напряжений не равно нулю. Шесть неизвестных: ах, оу,
*zy* xzx = xxz или,а1э а2,
uz> *ху — fcj/x» ьуг
аз> фх1. фуг» фгз
Общий случай — ни одно из главных
напряжений не равно нулю, но известны направления
главных напряжений. Три неизвестных: аь
о~2» аз
Частный случай — в осесимметричной детали
не на оси симметрии. Четыре неизвестных: oXt
°у* °zy fyz или оХУ фу2 = фгз, а2, а8
Частный случай — в точке оси симметрии. Два
неизвестных: о1 = а2, о3

Зависимости деформаций и напряжений
176
Продолжение табл. 3
Вид напряженного состояния
Схема элемента
Плоское напряженное состояние (результирующие напряжения
в сечениях в одной и той же плоскости)
Общий случай1. Три неизвестных: oXt ayt xyz или
0ь а2. Фу1 = <PZ2
Частный случай — в точке свободной
поверхности детали на оси симметрии. Одно неизвестное
°Ч = ^г г
Линейное (одноосное) напряженное состояние
Одно неизвестное о
Напряженное состояние в точке
детали при упругих и неупругих
деформациях. В общем случае объемного
напряженного состояния тензор
напряжений определяется шестью
величинами ох, оу, oz, %ху, %yz, xzx по
граням элемента, параллельным
координатным плоскостям, или же
главными напряжениями о^ :> о2 ^ а8 и
углами фх1, Ф^г.Фгз- Возможные виды
напряженных состояний в точках
детали приведены в табл. 3.
Напряженное состояние в точке поверхности
детали объемной формы, где нет
внешней нагрузки, является плоским
напряженным состоянием в плоскости,
касательной к поверхности детали. На-
г^ружение внешней нагрузкой точки
поверхности детали рассматривается
как общий случай объемного
напряженного состояния, если отсутствуют
какие-либо упрощения. При этом
нормальные и касательные силы по
площадкам контакта находят так же, как
напряжения.
В некоторых случаях достаточно
определять в точках детали отдельные
компоненты напряжений или их
сочетания. Например, при оценке
предельных состояний материала детали доста-

176
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
4. Напряжения в элементе по его различным площадкам
(зависимости применимы при упругих и пластических деформациях)
Вид напряженного состояния
Схема элемента
Линейное напряженное состояние. Известно а:
аф = о cos2 ф; тф = a sin 2ф/2
Наибольшее касательное напряжение при ф =
= 45° и ф = 135°:
*тах
= —Tmin = а/2
W-
Плоское напряженное состояние. Известны
главные напряжения ах и а2 и их направления:
аФ = ai cos2 ф + а2 sin2 ф;
тф = {Ох — а2) sin 2ф/2
Наибольшее касательное напряжение при ф =
= 45° и ф = 135°:
Ттпах = — Tmln = (а1 — °2^
til
Плоское напряженное состояние. Известны oXt
ау и тху = Тух не по главным площадкам, тогда
S = у (<** + оу) + у (ах — о у) cos 2ф +
+хху sin 2ф; тф = у (ах—ау) sin 2ф—тху cos 2ф
Углы фх и ф2 нормалей к главным площадкам
находят по формулам:
, От — ох а2 — ох
ьху т>ху
Главные напряжения по площадкам,
перпендикулярным к плоскости чертежа,
*ы = °х+ау ± -i- /(а,_0|,)2 + 4т5,,
Наибольшие касательные напряжения по
площадкам под углом 45° к главным
'тух = ± V (Ох~ °„?+*<%,
V Т'у \с

Зависимости деформаций и напряжений
177
Продолжение табл. 4
Вид напряженного состояния
Объемное напряженное состояние. Известны
главные напряжения и их направления. Нормальг
ные и касательные напряжения по площадкам
с нормалью п:
°п = ах cos2 (п> х) + а2 c°s2 (л, У) +
+ а3 cos2 (л, z);
хп = [а? cos2 (л, х)+ о\ cos2 (n9ly) +
+ а32 cos2 („,*)_ а2]1/2
Экстремальные значения касательных
напряжений
^imax = (<*i — <*2)/2; т2тах = (a2 — a8)/2;
т^зтах = (^з — ai)/2
Наибольшее касательное напряжение ттах
действует по площадке, перпендикулярной к
площадке с напряжением а2 и делящей пополам
угол между площадками с напряжениями ах и а3
Схема
V
элемента
k6j j*t
i
К
4
точно по теории наибольших
касательных напряжений находить величины
tmax = (o~i — о*3)/2 и по теории
интенсивности касательных напряжений
величины [(ох — а2)2 + (а2 — а3)2 +
+ (^з-а1)2]1/2.
Напряжения в точке по различным
площадкам. Если в точке детали
известны значения главных напряжений
и их направления или же компоненты
напряжений по любым трем граням
элемента, то можно подсчетом
определить напряжения в этой же точке по
любой другой (повернутой) площадке.
Это выполняют по формулам табл. 4
или построением круга напряжений
[8].
Сложение двух напряженных
состояний I и II в рассматриваемой.точке
детали, определенных отдельно от
действия каждой из двух нагрузок,
позволяет получить напряженное состояние
от совместного действия. обеих
нагрузок, если деформации происходят в
пределах упругости. Это сложение
выполняют для каждой точки по правилам
сложения тензоров. Суммарное
плоское напряженное состояние в точке
от совместного действия на деталь
двух нагрузок I и II подсчитывают
по формулам:
± (ai — °l) cos 2<Ро ±
±К-<'21)со82(х-Фо)];
— o\l) cos 2%
где ф0 — угол между главным
направлением суммарного напряженного
состояния и направлением о[ в
рассматриваемой точке; % — угол между
направлениями о\ и aj1.
Главные напряжения при упругих
деформациях связаны с главными
деформациями зависимостями,
приведенными в табл. 5. Главные
напряжения о*! и а2 в зонах плоского
напряженного состояния определяют по
измеренным относительным деформациям е
с помощью формул табл. 6.
7 Дайчик М. Л. и др.

178
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
5. Зависимости между главными напряжениями
и главными деформациями в пределах упругости
Схема элемента
Вид напряженного состояния
<* !
г| 1
I /
1+е
-* »
1
Линейное (одноосное) напряженное состояние:
а = ох; а2 = а8 = 0; о — Ее; е' == —fie
При длине / ребра растягиваемого или
сжимаемого элемента с однородными напряжениями
абсолютная продольная деформация
д/= е/= ol/E;
изменение поперечного размера а:
Да = е'а = —\нза1Е
Л
Гг^1 i
1
1 1
г^1
Ыс
к-
i '
г J
п
'У
г = т
1 /
/
/
/
г
т = т
"7
/■
f
Плоское напряженное состояние (напряжения
в одной плоскости); ог и аа — главные
напряжения (сг8 = 0). При действии силовых нагрузок
а1= Я (в1 + |xes)/(l — |х«);
а2= £(e2+Jxe1)/(l-ti2);
8l = (ах — jia2)/£; е2 = (а2 — fiajAE;
е8 = — И (<*i + <72)/£
При действии силовых нагрузок и изменении
температуры на Д^
*i = (°Ч — №)/£ + a А/;
е2 = (а2 — ^ах)/£ + а А/;
е3 = — ц (ах + а2)/£ + а А/
Чистый сдвиг в плоскости ху
тжу = Еуху/[2 (1 + \i)] = G^

Зависимости деформаций и напряжений
179
Продолжение табл. 5
Схема элемента
Вид напряженного состояния
Объемное напряженное состояние (ни одно из
главных напряжений не равно нулю).
Всестороннее равномерное растяжение (сжатие)
o~i = о~2 = а8 = а; ех = е2 = е8 = е; а = З/Се;
относительное изменение объема 6 = о/К
Общий случай объемного напряженного
состояния. При действии силовых нагрузок
■аг = /С9 + Е [2ех - (е2 + е3)]/[3 (1 + |х)];
а2 = № + Е [2е2 - (е3 + вх)]/[3 (1 + р,)];
а8 = KQ + Е [2е8 - fa + е2)]/[3 (1 + ц)];
8i= [ог — \1 (а2+ а3)]/£;
»2 = [^2 — М- (^з + Oi) ]1Е\
е8= [°"s —Ц (<*i + о2)]/£ '
При действии силовых нагрузок и изменении
температуры на At
Ч — fai — И (<*2 + v*)VE + а А/;
е2 = [<J2 — р. (а3 + ах) ]/£ + а At;
е3 = [а3 — \i (ах + а2) ]/£ + a At
Обозначения: гну — относительная линейная деформация и чистый
сдвиг; ах = атах, а2 и а3 — ат1п — главные напряжения, действующие по
взаимно перпендикулярным главным площадкам в направлениях /, 2 и 3 (и о =
= ах — при линейном напряженном состоянии); ех, е2 и е3 — главные
деформации; 9 = гг + е2 + е3 = ех + гу + е2 — относительное изменение объема;
£, ц, а = Е/2 (1 + jx) и /С = Я/3 (1 — 2[х) — модуль продольной упругости,
коэффициент Пуассона, модуль сдвига и объемный модуль материала детали;
а — температурный коэффициент линейного расширения.
Измерения напряжений, усилий в
сечениях и перемещений проводят с
помощью схем расположения и
включения тензор езисторов, приведенных
в табл. 7.
Зависимости между деформациями и
напряжениями за пределом упругости.
Если в рассматриваемой точке
возникают пластические деформации, то
связь между компонентами
напряжений и деформаций оказывается
существенно более сложной и при наличии
ползучести рассматривается во
времени. По теории малых упругопласти-
ческих деформаций используют
конечные зависимости между компонентами
напряжений и деформаций в форме,
подобной зависимостям при упругих
деформациях. При этом принимают,
что относительное изменение объема 9
является упругой деформацией,
пропорциональной среднему напряжению
а = (а1 + а2 + аз)/3, и компоненты
напряжений и деформаций связаны
зависимостями
вх+ е
о);
Угх = 2^Т2Х,
где е = 9/3; Ц = Зе,/(2аг), ot и fy—
интенсивности напряжении и
деформаций, зависимость между которыми
берут по диаграмме деформирования.
7*

180
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
6. Определение главных напряжений ог и а2
по измеренным главным относительным деформациями гх и е2
Тип розетки
Расчетные формулы
Угол ф
направления о~}
(90° > ф > 0)
при условии
Тензорезисторы в
главных направлениях 1 и 2
ih
ai= \ _.м,2 (ei + и-еа);
а2 = ! __^2 (82 + P*l)
а1,2 = '
ei + ea
1-ft
1+Ц
X
X у К(в! - е3)2 + [2еа- (е^сз)]2
е2>
8i +
Равноугольная
(«дельта»)
«71,2 =
Е ej+ei+s,-
1 — fjt 3
X
1+1*
X
(' 5 )
е8> е2
Прямоугольная из
четырех тензорезисторов
1 — jj.
Е 1
Е в! + е2 + вэ + в4
1+Ц 2
^(ei-es)a + (e2-e4)2
е2> е4

Зависимости деформаций и напряжений
181
Продолжение табл. 6
Тип розетки
Расчетные формулы
Угол ф
направления а,
(90° > ф > 0)
при условии
«Тэ-дельта»
04,2 =
ei+e4
l-|i
1+1*
X
X
/№■)'+№)
е8> е2
Примечание. Направление главных напряжений получают для всех
_ Второе слагаемое под корнем.
приведенных случаев из зависимости tg 2ф0 :
слагаемые берутся без квадратов.
Первое слагаемое под корнем'
7. Расположение и включение тензорезисторов для измерения напряжений,
усилий в сечениях и перемещений
Измеряемая величина
Схема включения
Нормальное напряжение ох в
направлении х; R2 = цЯг-
4-/
Mfe
Касательное напряжение хху в
направлениях 0Х и 0у:
- Е ч
х*у- 27Г+70 ~"
(схема а);
[2е4б— (еж — еу)1
^зет/ —
*У 2(1+И)
(схема б)
По схеме а находят также разность
деформаций в направлении без
тензорезисторов

182
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Измеряемая величина
Главное напряжение (ог или сг2)
при его известном направлении 7.
Датчик, поставленный под углом
ф = arctg ]^\1 к главному
направлению 7, дает значение главного
напряжения в этом направлении
Сумма главных деформаций (и
нормальных напряжений) по двум
взаимно перпендикулярным
направлениям на площади, занимаемой тен-
зочувствительной решеткой:
вж + еу = Е (ах + а у)
Датчик с упругим элементом,
увеличивающим деформацию (для
измерения малых перемещений от 2
до 100 мкм); увеличение в 1000—
5000 раз (на осциллограмме)
Датчик с упругим элементом,
уменьшающим деформацию, для
измерения пластических деформаций и
перемещений:
где коэффициент уменьшения U =
= етенз'8пласт» спласт и стенз —
наибольшая измеряемая
пластическая деформация и наибольшая
допустимая деформация тензорези-
стора
Продолжение табл. 7
Схема включения

Зависимости деформаций и напряжений
183
Продолжение табл. 7
Измеряемая величина
Схема включения
Определение деформаций ев на
внутренней поверхности детали
(сосуда) по измерениям на наружной
поверхности (при известном законе
распределения деформаций по
толщине детали). При линейном
законе распределения деформаций
а , а + h
h-—** j— e«;
деформация осевого растяжения
детали
1 JT
чЯР
*м
/у
f^£»
£N
Jm
еЛ =
"2h (ен "" 8н);
деформация изгиба
8H=i[<2/l+a)eH
аен]
На эскизе А — подставки при
применении механических тензометров вместо
наклеиваемых
Продольное усилие N в стержне;
компенсация изгиба достигается,
если крайние волокна расположены
на равных расстояниях от оси:
N = EFe
Изгибающий момент М в стержне.
Действие продольного усилия
компенсировано; компенсационный тен-
зорезистор является одновременно
рабочим:
М= EWe
/ш^Д^У*
Скручивающий момент Мк вала.
На детали устанавливают полный
мост, если измерения проводят при
ее вращении. Два или четыре
рабочих тензорезистора (а) или
усиленный измерительный мост (б):
Мк= £ 0,2^е,
1 ~t~ \i>
где d — диаметр вала; е —
деформация на поверхности вала под
углом 45° к его оси
d»
7 2J *
S)

184
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Продолжение табл. 7
Измеряемая величина
Схема включения
Перемещение6, измеряемое поде-
формации упругого изгибаемого
элемента:
3 ahR
е= -тг-г^о — элемент с постоян-
2 /3
ным поперечным сечением;
е= -т^б — консоль переменной
ширины постоянного
сопротивления;
е — деформация в месте установки
тензорезистора вдоль консоли
Обозначения: е — деформация, измеренная тензометром; F и W —
площадь и момент сопротивления поперечного сечения детали; 1, 2, 3, 4 — тензо-
резисторы и Rlt R2> Яз> Rt — их сопротивления.
Зависимости при упругопластиче*
ских деформациях и примеры
исследований приведены в работах [1; 11].
Поля деформаций и напряжений и
их применение. Изображение
измеренного поля напряжений может быть
выполнено с применением следующих
систем изолиний.
Траектории главных напряжений
(изостаты) представляют собой
систему из двух (плоское поле) или трех
(трехмерное поле) семейств взаимно
ортогональных кривых, с которыми
совпадают направления главных
напряжений. Все напряжения,
касательные к одному семейству кривых,
являются алгебраически большими
главными напряжениями, и касательные
к другому — алгебраически меньшими.
Трещины в хрупком тензочувствитель-
ном покрытии дают траектории
главных напряжений на поверхности
детали.
Изоклины представляют собой
геометрическое место точек поля
напряжений, в которых направления
главных напряжений параллельны и,
следовательно, имеют один угол наклона
с выбранным направлением (например,
осью х), называемым параметром
изоклины. Изоклины непосредственно
получают при просвечивании
прозрачных моделей в плоском полярископе
при скрещенных поляризаторе и
анализаторе; по ним графически могут
быть: построены траектории главных
напряжений.
Изохромы — геометрическое место
точек, в которых разности главных
напряжений в рассматриваемой
плоскости поля напряжений имеют одну
и ту же величину. Их получают
непосредственно, как и изоклины, при
просвечивании плоских прозрачных
моделей или срезов с объемных моделей
в круговом полярископе с применением
источника белого света.
Изопахи — геометрическое место
точек, в которых суммы главных
напряжений имеют одну и ту же величину.
Их получают, например, измерением
изменений толщин пластинки при
деформации.
Линии равных Величин каждого из
главных напряжений (изобары)
полностью определяют вместе с
изоклинами поле напряжений. При этом
удобно величины главных напряжении вы-

Зависимости деформаций и напряжений
185
ражать через номинальные
напряжения, так что каждой линии
соответствует свой коэффициент напряжений.
Коэффициентом концентрации
является наибольший коэффициент
напряжений аа = amax/aH0M; at = тщах/тном.
Эпюры напряжений дают значения
напряжений по точкам линий и
сечениям детали. Эпюры напряжений ok по
ненагруженному контуру плоской
детали, находящейся в плоском
напряженном состоянии, легко получить
непосредственно с применением поля-
ризационно-оптического метода; их
строят, откладывая величины oh по
нормали к контуру.
Изображение поля напряжений на
поверхности детали может
выполняться также с применением отрезков,
которые в некотором масштабе
откладываются в узлах сетки, нанесенной
на поверхности детали, и изображают
главные напряжения в направлении
их действия.
Уравнения изрлиний и основные
зависимости теории упругости,
используемые при экспериментальном
определении полей напряжений;
приведены в работах [8; 12]. Для проверки
результатов измерений и подсчета
дополнительных значений напряжений,
которые неудобно получить
измерениями, используют уравнения
равновесия для любой выделенной
замкнутым сечением части детали,
находящейся в плоском или объемном
напряженном состоянии.
Обычно обработка
экспериментальных данных ограничивается подсчетом
деформаций и напряжений в точках
измерений. Разработаны и
применяются методы полной обработки
экспериментальных данных, как их
интерпретация, позволяющая провести
с помощью математических моделей
по ограниченной экспериментальной
информации определения полей
деформаций, напряжений и нагрузки в
точках детали, где деформации не могли
быть измерены [8; 13].
Свойства полей напряжений,
которые могут быть использованы при
проведении тензометрии:
возле свободной вогнутой границы
плоской детали два главных
напряжения, касательное и нормальное к кон-
тУРУэ имеют один и тот же знак, а возле
выпуклой границы —
противоположные знаки;
чем больше сближаются изостатиче-
ские кривые одного семейства при
продвижении вдоль них, тем больше
возрастает главное напряжение,
направленное вдоль этих изостат. В
соответствии с этим на участке свободной
границы плоской детали значения
напряжений вдоль контура обратно
пропорциональны расстоянию между
границей и ближайшей.к ней траекторией;
главные напряжения вдоль изоста-
тических линий имеют максимум или
минимум в тех точках пересечения
с нормальными к ним изостатами,
где последние имеют кривизну,
равную нулю; напряжения вдоль изостаты
не меняются на том участке, где она
и нормальная к ней изостата прямые;
главные напряжения вдоль
криволинейной изостаты меняются по
значению, и тем больше, чем большую
кривизну имеют ортогональные с ней
изостаты при противоположных
знаках главных напряжений (случаи,
когда оба главных напряжения имеют
одинаковый знак, редки);
при плоском напряженном
состоянии коэффициент концентрации на
ненагр уженном контуре может быть
определен по расположению трещины
в хрупком тензочувствительном
покрытии, расположенной на малом
расстоянии от контура и получаемой в зоне
растяжения при разгрузке aG =
= сном/смин> где с — расстояние между
контуром плоской детали и ближайшей
трещиной в покрытии (в месте
номинального напряжения и концентрации
напряжений).
Значения коэффициентов
концентрации при упругих деформациях и
различных формах деталей^ приведены
в работах [6; 7; 10].
Возникающие при деформации
перемещения точек детали по измеренным
полям деформаций могут быть
определены расчетом. При этом
используются зависимости теории упругости
между деформациями и вызванными
ими перемещениями. Постоянные
интегрирования находят из условий для
деформаций сдвига и условий
закрепления детали как жесткого тела [8].
Рассчитывают перемещения по
измеренным деформациям при тензометрии

186
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
в случае, если отсутствует возможность
непосредственного измерения искомого
перемещения или для проверки
измеренных значений.
Расчетные формулы для простейших
случаев. Формулы для определения
полей деформаций, напряжений и
перемещений в пределах упругости и
их значений приведены в табл. 8.
Они могут быть использованы при
подготовке тензометрии в подходящих
случаях для оценки напряжений и
перемещений и при проверках тензо-
резисторов и измерительной
аппаратуры в экспериментах со статической
нагрузкой.
Для деталей сложной формы при
усложненных нагрузках и граничных
условиях аналитические методы и
справочные данные ограничены. Более
трудную для расчета задачу
представляет определение деформаций и
напряжений в области пластических, уп-
ругопластических деформаций и при
ползучести. Однако развитие и
применение численных методов решения
задач деформаций и напряжений с
использованием ЭВМ позволили
существенно углубить перед проведением
тензометрии предварительный анализ
сложных задач деформаций и
напряжений конструкции [2; 8].
Используемые при моделировании
зависимости. Физическое
моделирование с проведением измерений ведется
для уточнения задач натурной
тензометрии и установления зависимостей
для деформаций в различных местах
исследуемой конструкции и при
различных нагрузках. Выполняется оно
значительно проще, чем тензометрия
натурных конструкций при их
эксплуатации. Результаты исследования
моделей используют также при
обработке данных натурной тензометрии.
Условия подобия для моделей в
различных случаях составляют на
основании общих функциональных
зависимостей или из анализа размерностей
[И]. Моделируемую деталь и
конструкцию (натуру) воспроизводят
полностью или с упрощениями, не
влияющими на определяемые напряжения
или перемещения. Модель по
отношению к натуре выполняется с
соблюдением масштабов аир геометрического
и силового подобий:
а = /н//м; Р^нАРм,
где /н и /м — расстояния между
подобно расположенными точками натуры
и модели; Рн и Рм — усилия,
приложенные в подобных точках натуры и
модели.
При моделировании составных
деталей и узлов должны соблюдаться
условия подобия по упругости соединений,
силам затягивания и выбираемым
зазорам. Существенное значение имеет
воспроизведение на модели условий
сопряжения составных конструкций,
что требует применения
соответствующих приемов проведения эксперимента
и способов пересчета. При отсутствии
раскрытия сопряжений сборные части
модели из пластмассы могут
соединяться между собой жестко. В других
случаях болты, сопрягающие части
конструкций, в модели выполняют
с жесткостью, соответствующей
натурной. При необходимости
моделирования податливости сопряжений
воспроизводятся неровности
контактирующих поверхностей на моделях и
упругость соединений. Устройство час-
стей, передающих на модель нагрузку,
должно обеспечивать отсутствие сил
трения, которые могут создавать
дополнительные усилия. Условия
моделирования должны быть выдержаны
не только для тех частей модели, на
которых ведутся измерения, но и для
других, влияющих на распределение
усилий и напряжений в исследуемых
частях.
Правильное моделирование условий
контакта в сложных случаях должно
основываться на данных исследования
стальных натурных деталей и узлов или
их металлических моделей и
обеспечиваться соответствующим выполнением
модели и контролируемым нагруже-
нием. Для стальных деталей это
условие может быть выполнено на моделях
из пластмасс, нагружаемых при
нормальной температуре. Вместо
соблюдения приведенного соотношения
правильное воспроизведение условий
контакта может обеспечиваться
выполнением в модели зазоров в масштабе
линейных перемещений. Необходимость
равенства масштаба линейных
перемещений масштабу размеров
определяется в зависимости от того, влияет

Зависимости деформаций и напряжений
187
8. Расчетные формулы для определения деформаций, напряжений
и перемещений в пределах упругости
Случай напряженного состояния
Расчетные формулы
Поперечное сечение балки при
изгибе
В точках / и 2, наиболее удаленных от
нейтральной линии:
<f=JL, п"~ М
где Wi — J/t/i\ W2 = J/уъ (линейное
напряженное состояние, главные площадки в
плоскости поперечного сечения и плоскости,
перпендикулярной к нему)
В точке 3 на нейтральной линии:
QS
о2 = 0; т = т' = -=^-; а1л = ± т
(чистый сдвиг, две главные площадки под
углом 45° к плоскости поперечного сечения
и перпендикулярные к чертежу; третья
главная площадка в плоскости изгиба)
В любой другой точке сечения:
° (у) = — у;
*М =
QSV
Jbv
(в плоскости поперечного сечения);
OVa =
о (У)
1
±jV°2(y) + W(y)
а2= 0
(главные напряжения)
Наибольшие касательные напряжения
= ± V& (У) + 4т* (у)
max
min
Наклон главных площадок определяют по
формуле
Балка плоская (с
неограниченной высотой сечения) на двух
опорах со сплошной
равномерной нагрузкой р
!* + *-* ■
1/2
V»
«^
' * 1
1/2 J
■^ *Н
°*= w {х*у -2ху*+Т сНу) ''
°v~ 2\ *+ 2с» 2. с )'
(с*-^)] +
6
**у=-Ь[3х*(*
+ _|_С«(С«_.У«)

188
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Продолжение табл. 8
Случай напряженного состояния
Расчетные формулы
Балка плоская консольная с
нагрузкой по треугольнику
Широкая растягиваемая
полоса, имеющая отверстие
радиусом о
4| _, > К-
Радиальные напряжения
+4('+*Ч?-)-*
тангенциальные напряжения
касательные напряжения
, За4 . 2а2 \ . оа
1 pr + ^2-jSin29
«Тф
-т('
Кривой брус при изгибе
моментами М
^ = --f(— 1пт + *21пт +
+ a2lnf);
4М / а262 ,«,-.,/•,
+ а2\пу + Ь2 — аЛ;
,>= О,
где # = (б2 — а2) — 4aW An А V
Кольцо с внутренним и
внешним давлением
Д2&2(Рн-Рв) 1 , рва2-рн62 .
б2 — а2 л2
в2*2(Рн-Рв) 1
£2 — б2 г2
б2 —а2 '
РвД2-Рн62
б2 —а2

Зависимости деформаций и напряжений
189
Продолжение табл. 8
Случай напряженного состояния
Расчетные формулы
Плоский диск, сжимаемый по
диаметру
В точках на горизонтальном диаметре:
2Р
Г Р2х2 1 .
[(D2/4 — *2)2 J'
х TiDt
°у ziDt L (#2/2 + х*)
В центре:
2Р . 6Р
°"" Г-]
я£>Г
я£/
Упругая полуплоскость с
сосредоточенной силой Р
г А \
•*
Радиальное распределение напряжений
2Р cos ф
яг '
0; т
Гф
Составляющие напряжений по координатным
осям:
ах = -
2Р
соб2ф; ау = -
X sin29 cos ф;
2Я
2Р
X
sm ф соб^ф
Упругая полуплоскость с
нормальной равномерной
нагрузкой на участке края
В любой точке
°* = ~~ 2JT [2 ^ф2 ~~ ф1* + ^Sin 2ф2 ""
— sin 2фх)];
<*у = — -gjj- [2 (ф2 — <Pi) — (sin 2ф2 -
— sin 2фх)];
%xv = ~~ 1я~ (cos 2ф1 ~" cos 2ф2^;
По ненагруженному краю
ох = а у = тху = 0

190
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
/
Продолжение табл. 8
Случай напряженного состояния
Расчетные формулы
Упругая полуплоскость с
сосредоточенной силой вдоль края
В любой точке
2Р
ах = —
2Р sin2 ф cos ф ,
пг
яг
По краю
2Р sin ф cos2 ф
2Р
лх
; оу = тХу=0
Упругая полуплоскость с
касательной равномерной нагрузкой
на участке края длиной 2а
В любой точке
a=c = _JL Г4ш ii^.
2Я L БШф!
— (cos 2фх — cos 2ф2) ;
о у = — -^— (cos 2фх — cos 2ф2);
тху = — -^Г I2 (Ф« — 4>i) + sin (2<Р2 ■
2я
По краю (у — 0)
— sin 2фх) ]
а~ = ~ In
Я -<*+«)'■
(х-а)2'
а„ = 0
Упругое полупространство с
сосредоточенной силой Р,
нормальной к поверхности
В любой точке
ЗР Г хН . 1 — 2ц /
1
*<*+*)
(2R+z)x*
')]••
(R+z)R* т i?»,
ЗР Г y'z 1—2^/ 1
2я L Я3 3 I Я(# + г)
(2Д + г) И ■ г \ ] .
'3 р8 / J '
(R+z)*R>
ЗР г»
а2~"2я~7?'
^21/
Я3
ЗР yz2 .
г2=х*+у2
*zy" 2я /г» '
ЗР *z2 .
ЬЗСу ■
*2* " 2я Я» '
ЗР Г луг 1 —2ц (2fl + z)*y1
2я L Я* 3 (# + z)2tf» J

Зависимости деформаций и напряжений
191
Продолжение табл. 8
Случай напряженного состояния
Расчетные формулы
Равномерное давление р по
площади круга радиуса R на
деталь, ограниченную плоскостью
(упругое полупространство)
Значение перемещения точек плоскости,
ограничивающих полупространство, в
направлении давления
2р*(1-Ю
в центре;
1 * ■
II'.
"*—^*1
1 1'
,_ 4pR (1 - \i*)
пЕ
— у края
Наибольшее касательное напряжение max т=
= 0,33р (в точке упругой детали под центром
площадки контакта на глубине, равной
0,038fl)
Толстостенная сфера,
нагруженная равномерным внутренним
рв и наружным рн давлением
о> =
Рвв'
з
РнЬ* (Рв~Рн)Ь*а* 1
&з_аз
РвД3 — РнЬ3
&3_fl3 Л3 >
(рв-Рн)6эД3 1
6а-аа
Ь3 —а3
Общий случай контакта двух
деталей. Площадка контакта—
эллипс
В точке контакта наибольший Rr и
наименьший R{ радиусы кривизны в детали 1 и R2
и R'2 — в детали 2. Плоскость кривизны \/R1
с плоскостью кривизны \/R2 образуют угол ф:
1,5Р . /Г
1
где б =
1//?!+ \IR[+ \IR%+ l/RV
* = "3"^2 О — 1*»+ ^х 0 — I*» '
Значения а, Р и А. находят по таблице,
6 = arccos —j- б X
где
Г +2
(ж-ж)(^гж)С082ф

102
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Продолжение табл. 8
6°
0
10
20
30
35
40
45
50
а
оо
6,612
3,778
2,731
2,397
2,136
1,926
1,754
3
0
0,319
0,408
0,493
0,530
0,567
0,604
0,641
X
0,851
1,220
1,453
1,550
1,637
1,709
1,772
е°
55
60
65
70
75
80
85
90
а
1,611
1,486
1,378
1,284
1,2б2
1,128
1,061
1,0
Р
0,678
0,717
0,759
0,802
0,846
0,893
0,944
1,0
X
1,828
1,875
1,912
1,944
1,967
1,985
1,996
2,0
Круглая пластинка радиуса а
с равномерно распределенной
нагрузкой р в центральной
части по площади < круга
радиуса b\ t — толщина
пластинки
гг
о
71'
i
а
В центре о> = аф = (сх — с2Р2 — сь In Р) X
у опоры
аг= с4(2-Р2)р (-^-)2;
аф=сб(2-Р2)р(-£-)2
Стрелка прогиба
/= (св-с7р2+0,68/7Мпр)
раЧ2


фициент
Сз
Опора

свободная
1,50
0,262
1,95

защемленная
—0,49
-1,96
—0,75
Коэф-
фици-
ент
Сь
Св
Опора

свободная
0,525
1,73
1,03

защемленная
—0,75
0,68
0,51
Примечание. В формулах, где толщина t рассматриваемых элементов
не указана, она принята равной единице.
ли деформация на распределение сил
и, напряжений в натуре и в модели.
Условия подобия, по которым выпол- •
няют упругую модель и осуществляют
переход от замеров на модели к
искомым величинам для натурной детали
или конструкции, приведены в табл. 9
и [8; 11].
Условия подобия по тепловому
состоянию и термоупругого подобия
модели и натуры представлены в работах
[4; 8; 11]. Возможны два варианта
задач: распределение температур
внутри объема детали заранее неизвестно
и температурное поле является
заданной функцией координат. Применяются
следующие соотношения: температура
tK = 6tM; продолжительность процесса
изменения деформаций тн ==
#м
рассеяние теплоты Кк
личество теплоты
■Км
Qh = —<2м =
6 Кн
«2 Ям

Зависимости деформаций и напряжений
193
9. Основные условия подобия натурной детали и модели
при силовых нагрузках (деформации в пределах пропорциональности)
Условия подобия
Зависимости
для соблюдения подобия
1. Геометрическое подобие—
постоянство для всех участков
модели масштаба а
геометрического подобия
2. Силовое подобие —
постоянство для всех участков модели
масштаба Р силового подобия
3. Условие подобия контакта
детали — длины
соответствующих участков контакта в
детали и модели имеют тот же
масштаб а
4. Зависимости между
напряжениями ан и ам (при
соблюдении условий 1, 2 и 3)
5. Зависимости при условии
равенства относительных
деформаций в детали и в модели:
ем == ен
Отношение длин подобных отрезков в детали
и модели
а = /н//м = const
Углы в детали и модели равны.
Отношение равнодействующих нагрузок в
детали и модели на соответствующих участках
Р = Рн/Рм = const
\£l,M ^2, М/ \ ^2, Н/
где 1 и 2 — части детали и модели,
находящихся в контакте. Соблюдается подбором
материала моделей и выбором а и Р
_ Р
[" "о7
тм — плоские деталь и модель
ъ ам — объемные деталь и модель
Р; <*к =
Ен
^La2 =
-М ^М
5Н = Р5М; а>н = aaiM
Обозначения: Я — модуль упругости; t — толщина; S — усилие.
При объемном напряженном
состоянии и при плоской деформации:
относительные деформации
О +Ин)0— 1*м)«н
беа
(1 — Н-я)0 + Мам
_ Ян 0-М«н
^м (1 — |iH) ам
X
напряжения о}
X 6ам;
линейные перемещения
^ (1 + fa)0 — Им) <*н
(1— МО+М <*м
при плоском напряженном состоянии
те же параметры:
е _ (1 + М <*н д- .
(1 +Цм)ам
(А/)н =
аб(А/)м;
ан =
Ян ан
К*; (А/)н =
U + Им) ам
В этих зависимостях ан и ам —
температурные коэффициенты
линейного расширения материалов натуры
и модели.
Так как тепловое рассеяние в
стальной конструкции существенно выше,
чем в ее модели из полимерного
материала, то масштаб времени т =
= (/См/^Сн)^2 ПРИ соответствующем
масштабе ос линейных размеров будет
значительно меньше единицы, т. е.
в такой модели получается
увеличение времени, что облегчает измерения
при исследовании быстропротекающих

194
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
/
тепловых процессов. Кроме того, при
применении таких моделей
температурный масштаб 6 = tH/tM оказывается
обычно значительно выше единицы, и
так как температурные напряжения
в модели пропорциональны б, то,
снижая б, можно провести эксперимент,
не выходя за предел упругости модели.
Задачу температурных напряжений
моделированием решают в
предположении упругих деформаций и
постоянства механических и температурных
характеристик. Материал модели
может иметь температурные
характеристики, отличные от натурных.
Моделирование деформаций,
создаваемых действием собственной силы
тяжести конструкции и сопряженных
с ней агрегатов, обычно выполняют
центробежным моделированием, по.
методу «падающего ящика» и
взвешивания частей конструкций или
приложением грузов, расположенных подобно
массам частей конструкций. При
деформациях в пределах упругости
возможно проведение тензометрии
несущей конструкции с ее поворотом на
некоторые углы фх и ф2 в
вертикальной плоскости вокруг какой-либо
горизонтальной оси (например, вокруг
оси колес конструкции). Отсчитывают
приращения показаний тензометров
Acp2i0 и Acplf0 при переводе конструкции
из начального положения 0, для
которого определяют деформации от
собственной силы тяжести, в положения
ф2 и фх. Искомое приращение
показаний тензометра в случае действия
собственной силы тяжести
_ Аф2, о sin ф! — Афь о sin фа
~~ sin ф2 (1 — cos фх) — sin фх X
X (1 — cos(p2)
При этом в положениях Ц)г и ф2
реакции, удерживающие конструкцию,
вертикальны, как и в начальном
положении, и действуют в тех же точках.
Изменение относительного положения
всех элементов системы в указанных
положениях не происходит.
При произвольных (неупругих)
характеристиках материала натуры
материал модели во всем возможном при
исследовании диапазоне деформаций
должен иметь диаграмму
деформирования ем — ам, подобную диаграмме
ен — °н Аля материала натуры, т. е.
при ом = о0он должно быть ем =
= Сеен. Масштабы С0 и Се —
постоянные для всех точек диаграммы, должны
сохраняться при различных
имеющихся в точках натуры и модели
соотношениях главных напряжений и
деформаций. Когда необходимо учитывать
влияние времени, обычно ограничиваются
проверкой подобия деформаций во
времени при постоянных нагрузках
и наблюдаемые при ползучести
деформации должны быть измерены в
масштабе Се в зависимости от времени
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров А. Я. Ахметзя-
нов М. X. Поляризационно-оптические
методы механики деформируемого тела.
М.: Наука, 1973: 576 с.
2. Биргер И. А. Шорр Б. Ф. Иоси-
левич Г. Б. Расчет на прочность деталей
машин. Справочник. М.:
Машиностроение, 1979. 702 с.
3. Деформации и напряжения при
обработке металлов давлением / П. И. По-
лухин, В. К. Воронцов, А. Б. Кудрин и др.
М.: Металлургия, 1974. 336 с.
4. Исследование температурных
напряжений/Под ред. Н. И. Пригоров-
ского. М.: Наука, 1972. 228 с.
5. Касаткин Б. С. Лобанов Л. М.
Экспериментальные методы исследования
деформаций и напряжений. Киев: Нау-
кова думка, 1981. 583 с.
6. Мавлютов Р. Р. Концентрация
напряжений в элементах авиационных
конструкций. М.: Наука, 1981. 143 с.
7. Петерсон Р. Коэффициенты
концентрации напряжений: Пер. с англ.
М.: Мир, 1977. 302 с.
8. Пригоровский Н. И. Методы и
средства определения полей деформаций
и напряжений. М.: Машиностроение, 1983.
248 с.
9. Проблемы прочности и пластич.-
ности / Под ред. А. Г. Угодчикова //
Всесоюз. межвузовский сборник.
Горький: 1976-1986.
10. Савин Г. Н. Тульчий В. Н.
Справочник по концентрации напряжений.
Киев: Вища школа, 1976. 410 с.
11. Седов Л. И. Методы подобия и
размерности в механике. М.: Наука,
1977. 440 с.
12. Тимошенко С. П. Гудьер Дж.
Теория упругости: Пер. с англ. М.: Наука,
1975. 575 с.
13. Фомин А. В. Прейсс А. К.
Определение термоупругих напряжений внутри
объема детали по результатам измерений
на части ее поверхности //
Машиноведение. 1982. С. 79 — 85.

Приложение 2 ИЗВЛЕЧЕНИЯ
ИЗ МЕТОДИЧЕСКИХ
УКАЗАНИЙ МИ 1347—86
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Исходными данными для
определения погрешности измерения
деформации являются:
1.1.1. Параметры метрологических
характеристик. (MX) тензорезисторов,
приведенные в
нормативно-технической документации (паспорте,
технических условиях и т. д.), из числа
нормируемых ГОСТ 21616—76:
предельное относительное
отклонение сопротивления тензорезистора в
партии от номинального при
нормальной температуре;
отношение разности предельных
значений сопротивлений в группе к
номинальному при нормальной
температуре;
среднее значение чувствительности
при нормальной температуре;
среднее квадратическое отклонение
(СКО) чувствительности при
нормальной температуре;
4 среднее значение часовой ползучести
при нормальной температуре;
СКО часовой ползучести при
нормальной температуре;
среднее значение часовой
ползучести при максимальной температуре;
СКО часовой ползучести при
максимальной температуре;
среднее значение функции влияния
температуры на чувствительность при
максимальной (минимальной)
температуре;
СКО значения функции влияния
температуры на чувствительность при
максимальной (минимальной)
температуре;
температурная характеристика
сопротивления (ТХС);
среднее значение максимального
значения ТХС;
1 Государственная система обеспечения
единства измерений, методика
определения погрешности измерения деформации
проволочными и фольговыми тензорези-
сторами. Госстандарт СССР.
СКО максимального значения ТХС;
средняя разность значений ТХС при
максимальной температуре до и после
изотермической выдержки;
СКО разности значений ТХС до и
после изотермической выдержки;
среднее значение часового дрейфа
выходного сигнала при максимальной
температуре;
СКО часового дрейфа выходного
сигнала при максимальной
температуре.
1.1.2. Параметры MX
тензорезисторов, определяемые дополнительно для
реальных условий применения
тензорезисторов.
1.1.3. Характеристики погрешности
тензометрической аппаратуры
(приборов, измерительных систем или
измерительно-вычислительных комплексов),
приведенные в технической
документации или полученные по результатам
метрологической аттестации по
ГОСТ 8.326—78.
1.1.4. Параметры линий связи:
среднее сопротивление линий при
нормальных условиях;
СКО сопротивления линий при
нормальных условиях;
среднее сопротивление участков
линий, проходящих через зону нагрева
(охлаждения);
СКО разности сопротивлений
участков линий, проходящих через зону
нагрева (охлаждения).
1.1.5. Условия проведения
прочностного эксперимента:
продолжительность эксперимента;
температуры конструкции в местах
установки тензорезисторов.
1.1.6. Применяемая схема
измерения.
1.1.6.1. Схема измерения без
компенсационного тензорезистора. При
данной схеме или принимают меры для
компенсации влияния температуры на
рабочий тензорезистор ТР1, или
вносят поправку на температурное при-

196
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ращение сопротивления ГА/, т. е. из
выходного сигнала ТР1, полученного
при рабочей температуре, которую
измеряют в месте установки тензоре-
зистора ТР1, вычитают значение ТХС
ТР1, соответствующее этой
температуре.
1.1.6.2. Схема измерения с
компенсационным тензорезистором. При
данной схеме выходные сигналы ТР1У
установленного на исследуемую
конструкцию, и компенсационного тензо-
резистора ТР2, взятого из той же
партии, что и ТР1, и установленного
на образец из того же материала, что
и конструкция, вычитаются в
измерительной схеме. Во время испытаний
образец с ТР2 не должен подвергаться
деформации. Его температура в
каждый момент времени должна быть равна
температуре конструкции в месте
установки TPL
1.1.6.3. В обеих схемах измерения
при необходимости принимают меры
для компенсации влияния температуры
на линии связи. Например, при
использовании схемы измерения по
п. 1.1.6.1 ТР1 включают в
измерительную цепь по трехпроводной схеме.
При использовании схемы по п. 1.1.6.2
линии связи ТР1 и ТР2У если они не
охвачены соответствующей системой
исключения влияния их
сопротивления на результат измерения, должны
иметь одинаковое сопротивление и
должны находиться в одинаковых
температурных условиях.
1.2. Значение доверительной
вероятности при определении интервала, в
котором находится погрешность
измерения, принимают равным 0,95.
2. МОДЕЛЬ ПОГРЕШНОСТИ
ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Значение измеряемой
деформации е (млн-1) в общем случае с учетом
поправок на ползучесть, дрейф
выходного сигнала и ТХС тензорезистора
определяют по формуле:
1 — 0,01П Гс/ ~ч г ,
+lt.-& + &]. (2.1)
В этом случае границы абсолютной
погрешности измерения деформации
Ае (млн-1) в реальных условиях
эксплуатации определяют по формуле;
-*^[(тг)'+ '"
(ж)2н,+<2+
где ~ — обозначение среднего
значения параметра MX; К —
чувствительность при нормальной температуре;
Ф — значение функции влияния
температуры на чувствительность при
температуре /; П — ползучесть при
температуре t в момент времени т, %;
\t — значение ТХСтензорезистора при
температуре /, млн"1; Д — дрейф
выходного сигнала тензорезистора при
температуре t в момент времени т,
млн"1; | — разность относительных
приращений сопротивления ТР1 и
ТР2 с их линиями связи,
определяемая по функции преобразования
тензометр ической аппаратуры, млн"1; а —
параметр линии связи, определяемый
из соотношения
где г — сопротивление линии связи,
Ом; R — сопротивление
тензорезистора, Ом; К — коэффициент, зависящий
от заданной вероятности Р и вида
закона распределения погрешностей.
Для значения Р = 0,95 коэффициент
X в данной методике принимается
равным 2; о (А81-) — СКО i-й
составляющей погрешности, млн"1; i= 1, ...,
п\ ок, аф, ап, а1г ад — СКО
соответственно чувствительности,
функции влияния температуры на чувстви-

Оценка составляющих погрешности измерений
197
тельность, ползучести (%), ТХС
(млн"1), дрейфа выходного сигнала
тензорезистора (млн-1); d£ — СКО
погрешности тензометрической
аппаратуры, млн-1; сгл — СКО параметров
линии связи (млн-1), определяемое из
соотношения
«, = 64+^4,.-*.) +
+ 4d2~?tyL, (2.3)
где d — параметр линии связи,
определяемый как
здесь гно — сопротивление при
нормальных условиях участка линии
связи, находящегося в зоне нагрева
(охлаждения), Ом; L — параметр
линии связи
1
L 2 Ui /г. Г
*«. °
idt-'di)'
— СКО параметров
линии связи соответственно а, йг —
— d2> L\ \tn — значение ТХС линии
связи при температуре /, млн-1.
В формулах (2.1)—(2.3) индексы
«Ь и «2» относятся к параметрам MX
соответственно рабочего и
компенсационного тензорезисторов и
параметрам их линий связи. Для схемы
измерения без компенсационного
тензорезистора параметры MX
тензорезисторов с индексом «2» равны нулю.
Для схемы измерения с
компенсационным тензорезистором разности
значений \t и \tv Д2и Дхравны нулю.
2.2. В случаях, если поправки на
ползучесть, дрейф выходного сигнала
и ТХС тензорезистора исключают из
выражения (2.1), то значения
параметров этих характеристик учитывают
при определении погрешности
измерения как составляющие неисключен-
ной систематической погрешности.
Например, если значение измеряемой
деформации определяют по расчетной
формуле
eeWI6<1 + *>b (2-4)
ко
то границы погрешности определяют
по одной из формул:
Дв = ± |0,01Пе| +
hi — St2
КФ
+
. Al — Дл ,
* ф
i-i J
Де = ± Я У -i-\ (0,01Пв)» +
+ ,i^l +
i=l
(2.6)
КФ
3. ОЦЕНКА СОСТАВЛЯЮЩИХ
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Параметры, не зависящие от
условий проведения эксперимента
(продолжительности эксперимента и
температуры конструкции).
3.1.1. Чувствительность
тензорезистора при нормальных условиях. Так
как среднее значение и СКО
чувствительности не зависят от условий
эксперимента, то в качестве оценок К и
о„, приведенных в формулах (2.1)—
(2.5), принимают:
где К и SR — соответственно среднее
значение и СКО чувствительности при
нормальных условиях.
Значения К и SK даны в паспорте
на партию тензорезисторов.

198
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
3.1.2. В качестве характеристики
погрешности тензометрической
аппаратуры принимают СКО погрешности
ag, которое определяют из данных,
приведенных в паспорте на
аппаратуру или полученных при
метрологических исследованиях.
3.1.3. Параметры линий связи a, L, d.
В качестве оценок a, L, dt.oa, о^,
°U —d ) принимают:
L = Г; oL = —=- X
2R
* = <*; °<rfi-*.> = "Г 5(гно1-гно2У
где а, L, J, а\ г — средние значения
параметров a, L, d соответственно,
сопротивлений тензорезисторов R и
линий связи г при нормальных
условиях,, Ом; SR, Sr — СКО
сопротивления тензорезисторов в партии (части
партии), линии связи соответственно,
Ом; S{Ri_Rt)9 5(Г1_Г>), 5(Гно1_Гно^_
СКО разности сопротивлений рабочих
и компенсационных тензорезисторов,
линий связи рабочих и
компенсационных тензорезисторов, участков линий
связи, проходящих через зону нагрева
соответственно, Ом. _
Значения Rv R2, R, SR, S{Ri_Rt)
определяют для тензорезисторов после
их установки на конструкцию.
Допускается использовать данные,
полученные по результатам
измерения до установки тензорезисторов на
конструкцию, а также данные,
приведенные изготовителем в паспорте и на
упаковке тензорезисторов.
При этом, исходя из того, что в пары
рабочий тензорезистор —
компенсационный тензорезистор подбирают тен-
зорезисторы из одной группы, а всего
для эксперимента, как правило, берут
более чем одну группу
тензорезисторов из партии, можно принять:
6RR
<? г ю-*-
6R R
Sj^-^-lOr-i;
2^3
А == Al == А2 == АноМ»
где а*Ном — номинальное
сопротивление тензорезисторов, Ом; бдг и бдп —
отношение разности предельных
значений сопротивлений тензорезисторов
соответственно в группе и в партии
к номинальному сопротивлению, %.
Значения rv г2, г, Sr, S^ ^
определяют по результатам измерения
сопротивлений линий связи.
Значения f но и o,d _d . определяют
по результатам измерения
сопротивлений участков проводов,
проложенных в зоне нагрева (охлаждения).
3.2. Параметры, зависящие от
температуры.
3.2.1. Значение функции влияния
температуры на чувствительность при
температуре /.
При проведении измерений при
максимальной (минимальной) температуре
оценками Ф и аф являются
Ф = Ф; аф = 5ф,
где Ф и 5ф — соответственно среднее
значение и среднее квадратическое
отклонение функции влияния
температуры на чувствительность при
максимальной (минимальной) температуре.
При проведении измерений при
температуре, отличающейся от
максимальной (минимальной), оценками Фиоф
являются
где Ф (/) — расчетное значение
функции влияния температуры на
чувствительность при температуре t\ Бф —
СКО значения функции влияния
температуры на чувствительность при
температуре_Л
Значения Ф и 5ф получают из
паспорта на тензорезисторы; Ф (t) и
5Ф определяют по результатам
дополнительного эксперимента.

Оценка составляющих погрешности измерений
109
При нормальной температуре
принимают Ф = 1; оф = 0.
3.2.2. Значение ТХС при
температуре t. _
Оценками а. и \, = L = L яв-
»< 1 а
ляются
lt = 5(0;
% =
где | (/) — расчетное значение ТХС
при температуре /, млн-1; St — СКО
максимального значения ТХС, млн"1;
*нач — температура начального
отсчета на тензометрическом приборе, °С;
tH — температура, соответствующая
максимальному значению ТХС, °С;
t0 — нормальное значение
температуры, °С;
alt %в
— производные
dt '■ dt
ТХС в точках, соответствующих
температурам / и 4ач» млн-1; 5// —
средняя квадратическая погрешность
измерения температуры, °С.
Значение | (/) определяют по
полиному, коэффициенты которого
приведены в паспорте на тензорезисторы.
Допускается вместо значения £ (t)
использовать значение £ (/),
определяемое по графику ТХС, построенному
по результатам дополнительного
эксперимента.
Sit д£#
Значения производных ;' и —^=-=-
находят дифференцированием
полинома ТХС, имеющего в общем случае
вид I (t) = С0 + Сх/+ С2/2+ ... +
+ Crf, с последующей подстановкой
в полученное выражение
dl (0
dt
значений рабочей температуры t и
начальной температуры /нач.
В случае использования графика
ТХС значения производных
dft
Ml
dt
dt
определяют как тенгенсы уг-
= Сг + 2C2t Н \- rCrf-1
лов наклона к оси абсцисс касательных
к кривой ТХС | (0 = / (0 при
значениях температуры / й /нач.
Значения 5/, tH получают из паспорта
на тензор езисторы, значение Stt —
из паспорта на средство измерения
температуры или из данных
метрологической аттестации МВИ
температуры. Если в паспорте или аттестате
указана предельная погрешность
измерения температуры А/пр, то Stt
определяют из соотношения
А/др
3.2.3. Параметры линии связи £^л.
Оценкой &/л является
It л = It л = Р (* — *нач)>
где р — температурный коэффициент
сопротивления материала линии связи,
3.3. Характеристики, зависящие от
продолжительности эксперимента и
температуры.
3.3.1. Продолжительность
измерений в пределах 1 ч, температура t.
3.3.1.1. Ползучесть. При температуре
/^/0в качестве оценок П и ап
принимают
П = П; ап = 5П,
где П и Sn — соответственно среднее
значение и СКО часовой ползучести
при нормальной температуре, %.
При температуре t > t0 принимают
П = [П(т)Ь; an = Sntt,
где [П(т)]/ и 5пт^ — соответственно
расчетное значение и СКО ползучести
при температуре t в момент времени т
после приложения нагрузки (т ^ 1 ч),

200
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Значения П и Sn берут из паспорта
на тензорезисторы; значения [П (т)Ь и
5пт( определяют по результатам
дополнительного эксперимента.
Допускается вместо значений
[П(т)Ь и Srixt использовать
значения Flf и Snt — соответственно
среднее значение и СКО часовой
ползучести при максимальной температуре,
которое указано в паспорте на тензо-
резисторы.
3.3.1.2. Дрейф выходного сигнала.
При температуре / ^ t0 в качестве
оценок Д и ад принимают
Д = 0; ад = 0.
При температуре f> t0 принимают
Д = Д1 = Д2 = [Д(т)]<;
где [Д(т)Ь и 5дт^ — соответственно
расчетное значение и СКО дрейфа
выходного сигнала при температуре /
в момент времени т (т <; 1 ч), млн"1.
Значения [Д (т)Ь и 5дт< определяют
по результатам дополнительного
эксперимента.
Допускается вместо значений
[Д(т)Ь и 5дт^ использовать
значения Д* и S%t — соответственно
среднее значение и СКО часового дрейфа
выходного сигнала при максимальной
температуре, которые берут из
паспорта на тензорезисторы.
Если дрейф выходного сигнала тензо-
резистора может быть представлен
в виде
flt = V6f + Ec ••• (3-1)
где Vn — разность значений ТХС
при максимальной температуре до и
после изотермической выдержки,
млн-1; £с — дрейф начального
сопротивления тензорезистора, млн"1, то
в качестве оценок Д и ад принимают
где Vt/ и S — соответственно
среднее значение и СКО разности значений
ТХС при максимальной температуре
до и после изотермической выдержки,
млн"1; |с и Sic — соответственно
среднее значение и СКО дрейфа начального
сопротивления, млн"*.
Значения Vt^ и 5 берут из
паспорта на тензорезисторы, а значения
£с и S* определяют по результатам
дополнительное эксперимента.
3.3.2. Продолжительность
измерений более 1 ч, температура /. Оценки
П» агь Д» Од с учетом выражения
(3.1) получают из дополнительных
экспериментов, исходя из конкретных
рабочих условий применения тензоре-
зисторов.
3.4. При оценке составляющих
погрешности для реального
прочностного эксперимента следует
использовать характеристики и параметры,
которые были получены для условий,
совпадающих с условиями
эксперимента, или для условий, менее
благоприятных, чем условия эксперимента.
4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОЙ
МОДЕЛИ ПОГРЕШНОСТИ
ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ
Деформацию е определяют как
отношение информативного параметра
выходного сигнала £етензорезистора (т. е.
относительного изменения его
сопротивления, вызванного воздействием
деформации) к чувствительности при
рабочей температуре КФ:
Для нахождения £е рассмотрим
разность | относительных приращений
сопротивлений рабочего и компенсацион-

Обоснование выбранной модели погрешности намерения 201
ного тензорезисторов и
соответствующих линий связи (приводов):
Е =
Д/?1
ar2
*i + гг R2 + r29
ARX = ARel + ARn + ARm+ARm+
+ ДЯиз1 + AR±l 4 Дгх;
AR2 = ARt2 + ДЯ Д2 + Д/?иза + Д'а,
(4.2)
где AR — изменение сопротивления
тензорезистора из-за: воздействия
деформации — Д#е, нагрева — ARt,
воздействия температуры во времени —
ARдf воздействия деформации во
времени — Д#л» изменения
сопротивления изоляции — Д#из> поперечной
деформации — AR±; ^ —
сопротивление тензорезистора при нормальных
условиях и отсутствии деформации;
г — сопротивление проводов при
нормальных условиях; Аг — изменение
сопротивления проводов при нагреве;
индексы 1 и 2 относятся соответственно
к рабочему и компенсационному тензо-
резисторам.
В знаменателе этого выражения не
учитывается изменение сопротивлений
тензорезисторов и проводов
относительно их сопротивлений при
нормальных условиях.
Использованные обозначения:
ДЯе
= 6»;
AR,
R
AR,
= Д\
ARt
R
ARn
= Et;
_ П1г
~ Ьия»
r — Сл»
'но Г\
= 4;
ГН0 2
= d2;
Ri
Ri R2
= Lt
где rH0 — сопротивление участка
провода в зоне нагрева при нормальных
условиях позволяет привести формулу
(4.2) к виду:
Е = l+la + LlUd+o9oin) +
1
~~ \ Л-a — L ^'2 + ^из 2 -h Дг +
+ d2(fl-L)Ul. (4.3)
Значение Е измеряется тензометриче-
ским прибором.
Выраженную из формулы (4.3) Бе
подставляют в формулу (4.1)
пренебрегают влиянием поперечной
чувствительности и изменением сопротивления
изоляции, после чего выражение для е
принимает вид:
1 — 0.01Я |Г1Ь ., , ...
с = —Кф—{[EO + a + D-
- fci - А-ЕлА (* + *-)] +
+ БлА(в-Ц]}. (4-4)
Формула (4.4) представляет собой
математическую модель процесса
измерения деформаций, в которой
использованы значения метрологических
характеристик конкретного,
установленного на место измерения
тензорезистора, прибора и линий связи.
Определение всех необходимых
характеристик представляет собой
довольно сложную задачу, так как тензо-
резистор может быть установлен только
один раз — либо для градуировки,
либо для измерении. Поэтому
приходится определять метрологические
характеристики по выборке из партии
тензорезисторов. Эти характеристики
приписывают каждому тензорезистору
— а; партии, т. е. неслучайную величину —
метрологическую характеристику
отдельного тензорезистора — оценивают
с помощью случайной величины —
метрологической характеристики партии
тензорезисторов.

202
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Приведенные соображения
полностью относятся и к линиям связи. Что
же касается измеренного прибором
значения £, то его следует рассматривать
как случайную величину с дисперсией,
равной квадрату среднего квадратиче-
ского отклонения (СКО) погрешности
прибора. При этом бывает необходимо
дополнительно определить
погрешность, образующуюся за счет
изменения сопротивления компенсационного
тензорезистора и его проводов.
Итак, измеренная деформация е
представляет собой случайную величину,
СКО которой есть случайная
составляющая а (Ае) погрешности
измерений.
Если пренебречь значением
ползучести и величиной (1 -J- а) в
коэффициентах при дисперсиях и принять, что
*--°: 6.1-6»:
-1А = о;
(*Л1 *лг)
йг + й2
где символом «~» обозначена оценка
математического ожидания, то
выражение для случайной составляющей
погрешности измерения деформации
приобретает вид:
ov \ 2 / оф \ 2
(Лк.
а2 (Де) = ё2
+ (ж),]+-да[°*"+в&.+
+ *iyldl-dl)]. (4-5)
При оценке а (А8) по формуле (4.5)
во всех практических случаях можно
пренебречь величинами | и £* в
коэффициенте при oL.
Значение ё, принимаемое за
результат измерения Деформации,
определяют из формулы (4), в которой
использованы выборочные оценки
соответствующих характеристик:
е =
1— 0,01/7
КФ
[10+2)-
-E/i-A + E/i + Ab (4.6)
Численные значения всех
характеристик находят из соответствующих гра-
дуировочных экспериментов. Методики
проведения экспериментов по
определению метрологических характеристик
тензорезистора указаны в нормативно-
технической документации.
При длительности тензометрирова-
ния более 1 ч и (или) переменных
температурах такие характеристики, как
дрейф и ползучесть (а иногда и
температурная характеристика), которые
зависят от времени и истории процесса,
определяют из дополнительных
граду ировочных экспериментов,
выполняемых при значениях влияющих
величин, воспроизводящих рабочие
условия измерений. Однако в тех случаях,
когда эти дополнительные
эксперименты провести невозможно, дрейф и
ползучесть исключают из формулы для
расчета результата измерения,
оценивают их наибольшее возможное
значение и включают в состав погрешности
как составляющие неисключенной
систематической погрешности.
Обозначая результат измерения с
исключенными характеристиками еизм>
вычисляют Аенаиб:
АеНаиб = | 5 | — I бнаиб |. (4.7)
Чаще всего еизм определяют по
формуле
е«8м = -^ [£(!+*)-1/1+ !/•!.
КФ
(4.8)
В этом случае
А в наиб
= ±
[б =
+
|0,0
0,01/7
КФ
-5(1+5)
Д1-Д2
КФ
1/7е| +
5
=
1 —Дз
КФ
+
(4.9)

Примеры определения погрешности измерения деформаций
203
Погрешность измерения с
доверительной вероятностью 0,95 не
превышает величины
Ле = ±[| Ае наиб I + Ялг (Ае)] =
Дг — Дг
= =Ь
|0,0Ше| +
КФ
+
+ Ьо (Ае)
(4.10)
где X — коэффициент, зависящий от
заданной доверительной вероятности Р
и вида закона распределения
погрешностей.
Если есть основания полагать, что П
и Д в конкретном эксперименте могут
принимать любые значения в пределах
допуска с равной вероятностью, то
можно принять, что закон их
распределения равномерен в этих пределах,
тогда погрешность измерения
определяют в интервале:
Де = ±И /
з(кфУ
[(0,01Я£)а +
+ (Д1 + Д2)2] + °-а(Ае) =
=^l/ih
01Яе)2 +
+
Дг-Дг
КФ
+ <Ja(Ae)
(4.11)
Когда вместо формулы (4.8)
используют формулу
1
еизм = '
КФ
•[£(!+<*)], (4.12)
формулы (4.10) и (4.11) приобретают
вид:
Ае = ±
|0,01/7е| +
■Ь.
КФ
+
+
Дг — Д%
КФ
+ Ха (Ае)
; (4.13)
>-±х1/Т
(0,01Яе)2 +
+ j l*iZl}t2 \ +
КФ
+
Дх—Дг
КФ
2 1
+ а2(Ае)
(4.14)
б. ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ
ДЕФОРМАЦИЙ ДЛЯ
КОНКРЕТНЫХ ПРОЧНОСТНЫХ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Пример 1. Конструкцию нагревают
от начальной температуры /нач = 25 °С
до температуры / = 200 °С в течение
1 ч. При этом в конструкции
возникают деформации, обусловленные ее
нагревом, которые измеряют с помощью
тензорезисторов, установленных в
различных точках конструкции.
Для измерений применяют схему с
компенсационным тензорезистором.
Измеряемую деформацию
подсчитывают по формуле (2.4).
Определим погрешность измерения
деформации тензорезистором, для
которого величина £,
зарегистрированная тензометрической аппаратурой,
составляет 3500 мкОм/Ом.
Исходные данные: параметры MX
тензорезисторов, приведенные в паспорте
и на упаковке тензорезисторов:
R = 200 Ом; бЛг = 0,1 %;
6дп = 0,2%; К =2,13;
5^=0,01; Я, = —2,0%;
5ш = 0,3%; Ф= 1,01;
5Ф = 0,01; Д% = 43 мкОм/Ом;
SAt = 20 мкОм/Ом; |*л* = 290 мкОм/Ом;
St = 90 мкОм/Ом; /н = ^0 °С;
характеристики погрешности
тензометрической аппаратуры:
о% = 20 мкОм/Ом;
параметры линий связи:
г = 2,5 Ом; Sr = 0,005 Ом;
S(rt-rt) = °'007 0м» f но = °»3 0м»

204
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
S„ _r . = 0,0006 Ом;
р = 4- Ю-3 1/°С;
условия проведения эксперимента:
т < 1 ч;
'нач = t0 = 25 °С; / = 200 °С.
Расчет погрешности. Так как
температура испытаний совпадает с
максимальной рабочей температурой
используемых тензорезисторов, а т < 1 ч, то
ф (t) = ф; s<pt= 5ф;
[/7(T)b = 77t; 5Ят, = 5ш;
[Д(т)Ь = Д,; 5д^ = 5д^.
Кроме того,
. г . бдя^-Ю-у
# 2^3
'/?!-«■
бДг/мо-2
2 j/"3"
Г
Измеренная деформация составляет
e = lil+iL=ii4±iL =
кф кф
—3500(1 +0,0125)
2,13-1,01
С учетом изложенного
=—1650 млн-1.
МЛ*е| +
Ае = ±|0,01
+ (0,01Sm)2
+
\ кф ;
X
"+*si,+«f+-!-(i)!x"
s'+(t)
X
2j/"3
+
+ |Р(<-<„,)уХ
xs,r _r . +
vhoi ног/ '
Г
+ [2-^-р«-<наЧ)Гх
X
-К*)1
5(ri-rf) +
= ± {33 + 2 J^60 + 269 + 25 +
+ 3500 + 161 +86 +
^"'+0,0001+55 + 2} =
= ± {33 + 129} = ±162 млн"1.
Представление результатов
измерения и андьлиз составляющих
погрешности. Результаты измерения имеют вид:
е = —1650 млн"1; Ае = ±160 млн-1;
Р = 0,95.
Основными составляющими
погрешности являются:
погрешность, обусловленная
разбросом ТХС (120 млн"1);
погрешность, обусловленная
разбросом значения функции влияния
температуры на чувствительность (33 млн"1);
погрешность, обусловленная
ползучестью (33 млн-1).
Пример 2. Конструкция нагревается
от начальной температуры /нач = 25 °С
до температуры / = 450 °С.
Продолжительность измерений 3 ч. Для
измерения принимают схему с
компенсационным тензорезистором. Конструкция
тензорезисторов позволяет определить их
индивидуальные температурные
характеристики. Поэтому рабочий и
компенсационный тензорезисторы
выбирают таким образом, чтобы их
температурные характеристики были одинако-

Примеры определения погрешности измерения деформаций 205
вы. Измеряемую деформацию
подсчитывают по формуле (2.4).
Погрешность измерения деформации
определяют тензорезистором, для
которого величина £, зарегистрированная
тензометрической аппаратурой,
составляет 1800 мкОм/Ом.
Исходные данные. Параметры MX
тензорезисторов, приведенные на
упаковке тензорезисторов:
R = 100 Ом; бДг = 0,3 %; 6я/7 = 2% ;
1?= 1,9; 5К=0,04;
Ф (t) = 0,98; S<« = 0,03;
lt = 5500 мкОм/Ом при / = 450 °С.
Параметры MX тензорезисторов,
найденные из дополнительных
экспериментов:
% = 60 мкОм/Ом (Sit — СКО по-
S(r _r v = 7- Ю-* Ом.
ГН01 ГН02/
Условия проведения эксперимента:
т=3ч;
'нач = /0 = 25 °С; t = 450 °С.
Рабочий и компенсационный тензо-
резисторы подбираются с одинаковыми
температурными характеристиками.
Расчет погрешности. При
определении погрешности учитываем:
а = ~; 5Г==0,57 Ом; -
R
* = -f-l S(Rl-Rt) = 0,086 Ом.
Измеренная деформация составляет
- "-,!ЦГ —-^-
С учетом изложенного
+
= ±{|».ош,(„1,., + у..[(-^)1 + (|^)Ч -
'"•0IS"«,,J+(ww )"{*+s"<+"*+т W х
*Is'+(tYs*}
+
н<-
_1_
R
•ная) -5 S(rH01-
+
+ [24^('-<наЧ)]2 + (х)2 [^-,.> +f *?*_*.,]}} =
= ± {41 + 2 J/503 + Ю64 +114+ 1038 + 353 + 115 + 2 + ~*'"
+ 0 + 57 + 1038 + 276 \
грешности подбора тензорезисторов в
пары по ТХС; используют в качестве
оценки o~|f);
• Д Г(т) It = 800 мкОм/Ом;
S#Tt = 35 мкОм/Ом;
Я [(т)Ь = -4%; 5Я^= 1 %•
Характеристики погрешности
тензометрической аппаратуры:
oi = 20 мкОм/Ом.
Параметры линий связи: длина
линий связи 20 м (провода типа ПОЖБ,
0 0,31 мм);
г = 6 Ом; 5Г = 0,135 Ом;
S(ri_,f) = 0,01 Ом; гн0= 1,8 Ом;
Р = 5- Ю-8 1/°С;
1± {41 + 135} = ±176 млн"1.
Представление результата
измерения и анализ составляющих
погрешности. Результат измерения имеет вид:
е = 1020 млн"1;
Ае = ±176 млн."1; Р = 0,95.
Основными составляющими
погрешности являются погрешности,
обусловленные: разбросом сопротивления
линий связи рабочего и
компенсационного тензорезисторов; неточностью
подбора тензорезисторов в пары по ТХС
млн.-1; разбросом значения функции
влияния температуры на
чувствительность. На каждую из этих
составляющих погрешности приходится до 23 %
в случайной составляющей погрешно-

Приложение 3 МЕТОД
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ
ИЗ НИЗКОМОДУЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
(по Р-50-54-46-88)
1. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ
С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА
1.1. Задачи экспериментальных
исследований. Метод тензометрических
моделей из материалов с низким
модулем упругости применяют для
решения следующих основных задач:
определения напряжений, усилий и
перемещений в сложных конструкциях
при заданных нагрузках;
экспериментального выяснения и проверки
расчетных схем и методов расчета
напряжений и перемещений;
сопоставления вариантов конструкций при
проектировании по условиям прочности и
жесткости, улучшения формы
(оптимизация) деталей и узлов; выявления
зависимостей между деформациями
(напряжениями) и усилиями в деталях
в связи с определением нагрузок на
натурных конструкциях при их
работе; выбора типа нагружения и
расположения точек измерений при
исследовании натурных конструкций в
условиях стендовых и
эксплуатационных испытаний; оценки по данным
натурной тензометрии напряжений в
натурной конструкции в местах, где не
проводились измерения деформаций.
Метод применяется также для
определения нагрузки при потере
устойчивости элементов и для исследования
формы и частоты собственных
колебаний конструкций.
Метод тензометрических моделей из
низкомодульных материалов может
быть использован также для
исследования напряжений от натяга и
температурных напряжений. Так как
исследования на моделях и переход к
натуре при этих нагрузках имеют ряд
особенностей по сравнению с
моделированием при силовых воздействиях,
которому посвящены настоящие
рекомендации, то они здесь не
рассматриваются.
1.2. Область применения и погреш- •
ность метода.
Область применения метода
упругих тензометрических моделей из
низкомодульных материалов
ограничивается исследованием деформаций,
напряжений, усилий и перемещений в
конструкциях, материал которых
деформируется в пределах упругости.
Приведенные далее (см. п. 2.4)
способы получения упругопластических
деформаций и напряжений по
результатам исследования упругих моделей
носят оценочный характер. Кроме
того, рассматриваются такие упругие
конструкции, где применяется
принцип суперпозиции сил. Контактные
задачи с применением этого метода в
общем виде не решаются.
Метод моделирования динамических
напряжений на полимерных моделях
не разработан в полном объеме, как
это имеет место в случае статических
нагрузок. Это связано с большим, чем
у металлов, внутренним трением и
необходимостью учета зависимости
модуля упругости и коэффициента
Пуассона материала моделей от частоты
деформирования.
Относительная погрешность
определения на моделях деформаций,
напряжений, усилий и перемещений в
большинстве случаев составляет 5—15%.
Эта погрешность складывается из
ошибок измерения (до 5 %), ошибок
определения модуля упругости и его
изменения по объему модели (до 5 %) и
погрешностей моделирования.
Погрешность моделирования в
основном определяется различием
коэффициента Пуассона материалов
натуры (цн = 0,28 — сталь) и модели
(\*>м = 0,35 — полимерный материал).
Величины возникающих при этом
погрешностей даны в табл. П3.1.
Необходимо отметить, что в ряде случаев
эта погрешность может быть
существенно уменьшена.
Оценка точности моделирования
может быть выполнена или на основании
сравнения данных модельных
исследований с результатами натурных ис-

Моделирование напряжений и перемещений 207
П3.1. Примерная величина изменения главных напряжений (%)
при переходе от ц = 0,28 к р = 0, 35
Рассматриваема я
величина
Наибольшие главные
напряжения
Вторые компоненты
главных напряжений
Типы моделируемых задач
Балки,
плиты,
оболочки
0—5
0—10
Полоса
с
нагруженным

отверстием
2
7
Вал
с
надрезом
0—10
0—20
Плоская

контактная
задача
2
10

Объемная
контактная
задача
5—15
10—40 *
* В центре площадки контакта.
следований, или путем оценки
величины отклонения от равенства
критериев, по которым ведется
моделирование. При этом необходимо учитывать,
что выбор способа оценки точности
моделирования и адекватности модели
зависит от конкретной ситуации
исследования.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
2.1. Условные обозначения:
Н — индекс при величинах,
характеризующих натурную
конструкцию;
М — индекс при величинах,
характеризующих модель;
т — с индексом — масштаб
подобия; без индекса —
показатель степени при
степенной аппроксимации
диаграммы
деформирования;
I* х, у, z — соответственно длина,
линейные размеры в
направлении осей координат;
а, т — соответственно
нормальное и касательное
напряжения;
[<*], М—допускаемое напряжение;
q — погонная нагрузка;
р — внутреннее давление,
поверхностные силы;
Р — сосредоточенная
нагрузка, продольная сила;
М — изгибающий момент;
Q — поперечная сила;
и. — коэффициент Пуассона;
7 — деформация сдвига;
е — относительная линейная
деформация;
6 — абсолютная линейная
деформация; толщина;
А/ — перемещение;
и, v, w — перемещения в
направлении осей соответственно
х,. у, г\
f — прогиб;
£, G — соответственно модуль
продольной упругости и
модуль сдвига;
v — частота колебаний;
F — площадь поперечного
сечения;
W — момент сопротивления;
/ — момент инерции при
изгибе;
/к — момент инерции при
кручении;
n EI
и = 5 — цилиндрическая
жесткость;
г — радиус кривизны;
р — плотность.
2.2. Основные положения теории
моделирования. Исследования
напряжений и перемещений в натурных
конструкциях с применением моделей из
материала с низким модулем
продольной упругости основаны на условиях
подобия. Условия подобия, по
которым выполняют механическую модель
и переходят от данных измерений на
модели к искомым величинам для на-

208
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
туры, получают из анализа
размерностей или по общим для натуры и
модели функциональным зависимостям.
При этом предполагается, что в
исследуемой натурной конструкции
(натуре), воспринимающей рабочие
нагрузки, и в модели напряжения и
деформации меняются в пределах
пропорциональности.
Различают полное (строгое) и
неполное (приближенное) подобия.
При полном подобии все
безразмерные величины (коэффициент Пуассона,
коэффициент трения, относительная
деформация) в модели и натуре
соответственно равны, а модель в некотором
масштабе т/ полностью воспроизводит
натурный объект. На практике
возможность осуществления такого
моделирования весьма затруднительна и не
всегда необходима.
В связи с этим часто применяют
приближенное моделирование, при
котором в зависимости от задачи
исследования в модели в полном масштабе
выполняют лишь тот элемент или узел,
который подлежит исследованию.
Упрощению могут подвергаться и нзгрузки.
Остальные элементы, связанные с
исследуемым узлом и оказывающие на
него влияние, соответствующим
образом макетируют. Неполное подобие
имеет место и при неравенстве
коэффициентов Пуассона модели (р.м =
= 0,35) и натуры (\хн = 0,28 — сталь),
т. е. когда т^ Ф 1.
При моделировании, основанном на
приближенном подобии, надо в каждом
отдельном конкретном случае
правильно оценивать относительную
степень влияния некоторых факторов,
чтобы достаточно обоснованно пренебречь
ими. Кроме того, вследствие
получения приближенных, а не точных
результатов необходимо знать
возникающие при этом погрешности.
2.3. Условия подобия. При полном
подобии необходимо выполнить
следующие требования: модель и натура
должны быть геометрически подобны;
влияющие на модель нагрузки должны
отвечать нагрузкам, действующим на
натурную конструкцию, т. е.
прилагаться в сходных точках и находиться
в том же соотношении между собой;
коэффициенты Пуассона материала
модели и натуры должны быть равны
между собой; материалы модели и
натуры могут быть разными, но в иссле
дуемой области материал моДели
должен подчиняться закону Гука.
Рассмотрим связь между
масштабами подобия. Масштаб модулей
упругости гпЕ зависит от выбора материала
модели. Произвольно может быть
назначен только один из двух
масштабов — геометрического т\ или
силового тР подобия.
При назначении mi имеем:
тр =mQ=mN = mEm2t-t (2.1)
тм = тЕтЬ (2-2>
mq = тЕЩ\ (2.3)
та = тр = тЕ', (2.4)
тм = mf = ти = то = mw = ти
(2.5)
т^=1; (2.6)
ту = тъ=\. ' (2.7)
При назначении тР имеем:
/Hj = тр тЕ ; (2.8)
Л _±
тм = тр2тЕ 2; (2.10)
тд=тр2тЕ2\ (2.11)
та = тр = тЕ\
ты = mf = mu = mu:==
j_ i_
= mw =mp2mE 2; (2.12)
/%= 1;
my = me = 1 •
Неполное подобие определяет
подобие относительно некоторой части (а
не всех) величин, характеризующих
исследуемое явление. При
воспроизведении упругих моделей изменением
масштабов mi и тР не нарушаются
условия подобия, и масштабный
фактор нагрузок и размеров не
сказывается прямым образом на
погрешностях моделирования.

Моделирование напряжений и перемещений
209
Масштаб mi геометрического
подобия как в случае полного, так и
приближенного подобия модели
выбирается с учетом ряда факторов: нагрузки
модели, которая может быть применена,
сложности конфигурации исследуемой
натуры и ее размеров, применяемых
измерительных приборов, а также
размера материала для изготовления
модели, времени и средств для
испытания и требуемой точности. При
изучении конкретной детали или
конструкции форма натуры должна в модели
воспроизводиться более точно. При
обосновании или проверке метода
расчета напряжений и перемещений
модель рассматривают как саму
натурную конструкцию, причем создают
серию моделей с диапазоном
соотношения размеров, для которого
разрабатывают метод расчета. В этом случае
модели могут быть более простые с
сохранением основной конфигурации,
которую оценивают расчетом. При малых
размерах натуры модель выполняют
с меньшим т\\ в некоторых случаях
модель может быть выполнена больше
натурной детали.
Масштаб тр силового подобия в тех
же случаях определяют из условия
создания в модели достаточных для
измерения деформаций, которые
должны быть в пределах
пропорциональности и не вызывать заметной
ползучести. В целях выполнения точных
измерений получаемые в модели
деформации ем могут превышать
соответствующие деформации е// в натурной
конструкции, т. е. те< 1.
Связь между масштабами при
независимых mi и тР следующая:
тМ = т1тР\ (2ЛЗ)
mN = mQ = mp; (2.14)
тд = mpmj~l\ (2.15)
тр = та = трту ; (2.16)
mV = тг = ™ртТ2т1 *» (2-17)
mAl = mf = mu = mv==
= '"ю = тртГ1тЁ1- (2Л8)
2.4. Переход от объемной модели к
натурной конструкции. Пересчет изме-
8 Дайчик М. Л. и др.
ренных в объемной упругой модели
величин на натурную конструкцию
осуществляют с использованием
выражений для масштабов подобия.
При полном подобии:
напряжения
<*нат = Ю£0-моД; (2.19)
относительные деформации
енат = емод; ?нат = 7мод- (2.20)
При назначении тР усилия равны:
NH = mpNM; (2.21)
Qh = mPQM; (2.22)
MH = m*(*mJ1'4AM; (2.23)
перемещения
fH = m)!*mJl'*fM. (2.24)
При назначении mi усилия равны:
NH = mEm)NM; (2.25)
QH = tnEm]QM\ (2.26)
Мн = тЕт]М^ (2.27)
перемещения
fH = mifM. (2.28)
При неполном подобии (при
независимых масштабах mi и тР):
он = тртТ2ом;
eH = mpmT>mJ*eM;
yH-m:pmTW^
NH = mpNM;
Qh = трЪм\
Мн = mpmLMM;
fH = mpmj~ mj fM.
(2.29)
(2.30)
(2.31)
(2.32)
(2.33)
(2.34)
(2.35)
В том случае, если модель нагружена
внутренним давлением и mpm~j~2 = т
то переход на натуру удобнее
осуществлять по следующей формуле:
ан = тр°м- <2-36)
В том случае, если переход по
приведенным выше формулам на натурную
конструкцию показывает, что напря-

210
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
/
жения превышают предел текучести
в зонах относительно малых размеров,
когда влияние окружающей упругой
области является преобладающим,
пересчет деформаций и напряжений на
натурную конструкцию можно
производить двумя способами по
приближенным зависимостям, носящим
оценочный характер.
Первый способ следует из
предположения, что деформации в этих зонах
распределяются так же, как в упругой
области модели, и для натурной
конструкции могут быть определены по
формулам (2.20) или (2.30), а
напряжения а„ пласт в упругопластической
области по этим деформациям
необходимо определять из диаграммы а—е,
полученной для материала натурной
конструкции.
При втором способе используют
выводы о связи коэффициентов
концентрации деформаций и напряжений в
упругой и упругопластической
областях:
a2/(l+m) П-т)/(1+т)
(аоауЙ"['-(°п-''%)]'
(2.37)
2m/(l+m)
/Va"~ a(l-m)/(l+m) x »
Х^ЙП1-^-1'**)]
(2.38)
где /Се, Ка —«соответственно
коэффициенты концентрации деформации и
напряжений в упругопластической
области; aa — коэффициент
концентрации напряжений (деформаций) в
упругой области, определяемый на
модели; т — показатель степени при
степенной аппроксимации диаграммы
деформирования / (оп, еп) материала
натуры; п — постоянная, определяемая
из расчета или эксперимента для
данных аа и an; обычно принимают п =
= 0,5; ап — номинальное
напряжение в натурной конструкции.
Номинальное напряжение он п в
натурной конструкции определяется
выражениями (2.19), (2.29) или (2.36), а
деформации — выражениями (2.20),
(2.30). При этом в качестве
номинального в модели принимают
напряжение о~м в зоне вне концентратора,
где изменение напряжений имеет
плавный характер, а сами напряжения при
пересчете на натуру не превышают
предел упругости. Коэффициент aa
рассчитывают на модели как отношения
ао = °М max/aM. п' ГДе °М max - наи"
большее напряжение в зоне
концентрации. '
В натурной конструкции
наибольшие напряжения и деформации в
упругопластической зоне вычисляют по
формулам:
еят«=*е^, (2-40)
где Ен — модуль продольной
упругости материала натуры.
2.5. Частные случаи моделирования
2.5.1. Плоское напряженное
состояние. Деталь и модель имеют форму
пластины постоянной толщины; нагрузка
приложена в плоскости пластины
равномерно по ее толщине. В этом случае
распределение напряжений не
зависит от толщины детали и модели.
Толщина модели /м (масштаб толщины т%)
может быть выбрана из условий
удобства выполнения модели и измерений
(нагружения) независимо от масштаба
mi размеров в плоскости детали.
Переход на натуру в этом случае
осуществляют по следующим формулам:
чтя = mpmJxmJxoM\ (2.41)
fH = mpmJxmJlfM\ (2.42)
гн = mpmJ~lmJleM; (2.43)
ун = mpm]-lmflmJlyM; (2.44)
мн = трт1Мм-
В плоскости детали с односвязным
контуром при нагружении внешними
силами, прилагаемыми к контуру, рас.

Моделирование напряжений и перемещений
211
пределение напряжений не зависит от
материала, т. е. от его упругих
постоянных Е и fi. В случае
многосвязного контура этот вывод также
справедлив, если равны нулю главные
векторы нагрузок, приложенных к
каждому замкнутому контуру в
отдельности. В противном случае оно зависит
от величины коэффициента Пуассона \х.
2.5.2. Плиты и оболочки.
Определение напряжений в плитах с учетом
всех особенностей их формы,
влияющих на распределение напряжений
(изменение толщины ребра, форма и
устройство опорных частей и др.)»
выполняют на модели, полностью
воспроизводящей деталь. Такого же типа
модель применяют и для исследования
оболочечных конструкций, если в
исследуемой модели в правильном
соотношении воспроизводят деформацию
от изгиба и продольных сил в
срединной поверхности оболочки.
Рассмотрим случай, когда натурную
конструкцию можно принять за плиту
или оболочку, нагруженную по
нормали к срединной поверхности. При этом
в натуре и модели сохраняется
подобие по форме срединной поверхности,
нагрузкам и условиям опирания.
Толщину tM модели по нормали к
срединной поверхности можно выполнить по
отношению к толщине tn натурной
детали с другим масштабом т% толщин,
чем размеры срединной поверхности
(чем масштаб т{). Такое упрощение
допускается, если при выбранных
масштабах mi и nif модель и натура
удовлетворяют требованиям теории тонких
плит и оболочек.
Переход на натуру осуществляют
при независимых масштабах тР и mi
и тц = 1 по следующим формулам:
(2.45)
fH = mpm2lm~lmJ~3fM
2^-1^-3; (246)
При \х.н Ф \iM выражение для
прогиба имеет вид
/я =
m m2m-lm-3 1 "" ^ f
mpmlmE mf g- 'м-
1 —^м
(2.47)
Изгибающие моменты Мх и Му и
крутящие моменты Мху в натуре и
модели связаны зависимостями:
Мх. н = тР
М
+ °м (У-м - Ы 7
х. М
1
+
М. х
; (2.48)
Му.Н = тР
Му.м +
+ °м(1хм-Ы-
М. у J
; (2.49)
Мху. н = trip
■Рн
Мху.м. (2.50)
Поперечные силы Q и опорные
реакции R на единицу ширины:
QH = mpm-lQM; (2.51)
^//-mpm^1[(l-fx//)I/A1-
-(Рм-Ы^м]. (2-52)
2.5.3. Рамные и стержневые
конструкции. Для определения
напряжений в узле рамы модель узла должна
быть геометрически подобна
натурному узлу.
При исследовании усилий в сечениях
рамы или стержневой конструкции
можно использовать или модель,
полностью воспроизводящую натурную
конструкцию, или модель, в которой
сохранено то же соотношение
жесткости отдельных элементов, что и в
натурной конструкции. При этом
возможно дальнейшее упрощение
моделирования: если деформации от
продольных сил существенно меньше
деформаций от кручения и изгиба элементов
конструкции, то должно сохраняться
одно и то же соотношение жесткостей
на изгиб в обеих главных плоскостях
сечений рамы, на кручение и по
жесткости узловых соединений.
В этом случае должно выполняться
равенство
Ъ-
1+И
1+»н
т,
о**
(2.53)

212
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
где т — масштабный множитель для
/-го элемента.
Если влияние изгибающих и
крутящих моментов незначительно и
преобладают деформации от продольных
сил, то подобие можно соблюдать
только по жесткости на сжатие —
растяжение, и масштаб mEF можно
назначить произвольным.
В сложных конструкциях, где
трудно оценить соотношение всех
указанных жесткостей, целесообразно
тензометр ическую модель выполнять с
полным подобием по размерам и форме
натурной конструкции.
2.5.4. Моделирование узла
уплотнения корпусов энергетического
оборудования. Одной из особенностей
корпусов энергетического оборудования
является то, что напряжения в шпильках
узлов уплотнения существенно выше,
чем напряжения в других зонах
корпуса. Поэтому при моделировании на-'
пряженного состояния этих
конструкций на моделях из полимерных
материалов может иметь место случай,
когда напряжения в шпильках модели,
выполненных по геометрическому
подобию с натурой, превысят
допускаемые при измерениях напряжений в
модели. Это требует применения для
шпилек в моделях материала с более
высоким пределом прочности. При этом
для таких полимерных материалов
модуль упругости также выше, чем для
органического стекла или эпоксидной
смолы.
Для модели, выполненной с полным
геометрическим подобием, а также
с измененным материалом в шпильках
(обозначения со штрихом), должны
соблюдаться требования по условиям
равенства деформаций от продольных
сил и от изгибающих моментов в
шпильках:
E»F»-*f* ] (2.54)
При этом, если шпилька в натурной
конструкции имеет сплошное сечение,
то шпилька в модели из материала
с Е'м "> Ем должна иметь кольцевое
сечение. Из условия (2.54) получаем
DM = A\dM> dM = A2dM> 6л* = A3dMy
где D'M, d'M иб]ц — наружный,
внутренний диаметры и толщина стенки
шпильки кольцевого сечения; Аг> Л2
и Л8 — коэффициенты, зависящие от
отношения / = Ем/Е'м; dM — диаметр
шпильки сплошного сечения из
материала с модулем упругости Ем-
Растягивающие напряжения в такой
шпильке
°'м = А4ам.
Коэффициенты Аг—Л4 находят из
выражения
Аг = 1^0,5(1 + О;
А2 = |/"0,5(1^/) ;
Л8 = 0,5(Л1-Л2); Л4= \Ц.
(2.55)
2.5.5. Устойчивость в пределах
упругости. При исследовании вопросов
устойчивости модель выполняют в
полном масштабе геометрического
подобия mi. Потерю устойчивости в модели
устанавливают по показаниям тензо-
резисторов. За критическую в модели
принимают нагрузку Рм. кр» ПРИ пРе_
вышении которой зависимость между
деформациями и нагрузкой становится
нелинейной. Критическую нагрузку
Рн. кр в натурной конструкции рас-/
считывают в соответствии с (2.25) по
формуле
Рн.'кр^^вРм.кг (2-56)
При этом необходимо убедиться, что
напряжения в модели и напряжения
в натуре, получаемые ло формуле
(2.19), не превышают пределов
упругости.
2.5.6. Моделирование частот и форм
колебаний. Связь между масштабными
коэффициентами при исследовании
частот и форм колебаний на моделях
определяют выражением
mv = mjx = mfW^m-1^. (2.57)
Основная трудность применения
моделей из полимерных материалов для
исследования частот и форм колебаний
заключается в зависимости модуля
упругости материала модели от
частоты ее колебаний и в большей, чем
в натурной конструкции, величине ло-

Наготовление моделей
213
гарифмического декремента затухания
колебаний (соответственно, в большей
величине внутреннего трения).
Известно, что для ряда полимеров,
используемых в качестве материала
тензометр ических моделей, динамический
модуль продольной упругости Eg и
модуль сдвига Gg монотонно
увеличиваются с ростом частоты нагружения,
достигая при определенной частоте /0
своих равновесных значений.
Динамический коэффициент Пуассона \ig с
ростом частоты монотонно уменьшается,
и его равновесное значение также
имеет место при частоте /0.
В связи с этим масштабы nif и mi
в формуле (2.57) определяются не
только требованиями точности
моделирования, размерами и типом тензо-
резисторов, технологией изготовления
моделей, а также и условием
обеспечения в модели частот колебаний (м >
Значения сосредоточенных масс
в конструкции модели получают из
соотношения *
На несущих элементах натурной
конструкции часто размещают
распределенные массы (например,
теплоизоляция энергетического оборудования),
которые, не изменяя существенно
жесткости элементов, увеличивают уровень
действующих на эти элементы
инерционных сил. В этом случае в
плотности рн для натурной конструкции,
определяющей масштаб тр в
выражениях (2.57) и (2.58), необходимо
учитывать как массу материала
конструкции, так и находящихся на ней
распределенных масс. Считая, что
подобные массы размещены равномерно по
объему исследуемой конструкции,
получим:
р* = (1 + ^)р"— (259)
где Gh. доп —дополнительно
распределенные массы; Gh. осн и Рн. осн —
соответственно масса и плотность
материала конструкции.
3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ
3.1. Материалы моделей и их физико-
механические свойства. Основным
применяемым материалом для упругих
тензометр ических моделей служит
органическое стекло (полиметилметакри-
лат). Кроме того, тензометр ические
модели выполняют из эпоксидной
смолы без наполнителя или с
наполнителем в виде алюминиевой пудры.
Органическое стекло наиболее удобно
использовать в качестве материала тен-
зометрических моделей, так как оно
выпускается промышленностью в виде
готовых листов и блоков с большим
диапазоном типоразмеров. В связи
с этим ниже рассмотрены
физико-механические свойства органического
стекла как материала модели.
Отметим, что стандарты на
органическое стекло не нормируют
однородность величины его модуля
продольной упругости по плоскости листа или
объему блока. Его изменение по объему
блочного стекла составляет ± (10—
15) %. В связи с этим при принятии
решения о допустимости
использования листов или блоков органического
стекла в качестве материала моделей
необходима проверка их модуля
упругости и его изменения по объему
заготовок.
Коэффициент линейного
расширения органического стекла составляет
в среднем 110 млн-1 Х-1 и может
меняться по объему блоков техниче-^
ского стекла на ±15%,
Блоки технического стекла, наиболее
часто используемого для
изготовления моделей, имеют в момент поставки
начальные напряжения величиной до
10 МПа. Значительную часть (70—
80 %) этих напряжений снимают
отжигом. Температура, при которой
происходит отжиг, должна превышать на
5—10 °С температуру размягчения всех
частей объема блока.
В интервале температур 15—30 °С
существует линейная зависимость
модуля продольной упругости
органического стекла от температуры
Et = ET-4(t-T)y (3.1)
где Et — модуль упругости при
температуре t опыта (тензоизмерений);
Ej — модуль упругости при
температуре Т градуирования материала
модели; ф = 25 МПа/°С — средняя
величина изменения величины модуля
упругости на 1 °С для разных марок

214
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
органического стекла, имеющих при
20 °С модуль упругости Е = 2,5-т-3,0Х
X КРМПа.
3.2. Технология изготовления
моделей. Наиболее часто тензометриче-
ские модели изготовляют механической
или ручной обработкой заготовок из
листового или блочного стекла и
последующей их склейки между собой.
В случае изготовления массивных
моделей (особенно составных) из
блочного органического стекла перед
механической обработкой необходимо
выполнять отжиг начальных напряжений.
Режим отжига для блоков толщиной
до 200 мм следующий: разогрев со
скоростью 5 °С/ч до температуры 95—
100 °С (для блоков технического стекла)
и до температуры 115—120 °С (для
блоков конструкционного стекла);
выдержка при этой температуре 8—10 ч,
медленное охлаждение со скоростью
2—3 °С/ч до температуры 50—55 °С,
затем естественное охлаждение вместе
с печью до комнатной температуры.
Отжиг для лучшего прогрева блока
и выравнивания температуры внутри
него рекомендуемся выполнять в
термостате с жидкостной средой.
При применении блоков
технического стекла время выдержки на
предельной температуре можно увеличить до
25—40 ч. В этом случае наряду с
-некоторым увеличением (на 4—5 %)
модуля продольной упругости материала
уменьшается его разброс по объему
блока за счет некоторой дополимери-
зации его отдельных слоев.
При проведении отжига необходимо
учитывать, что заготовки уменьшаются
в плане на 2—3 % и увеличиваются по
толщине на 4—5 %.
К режущему инструменту и
режимам резания предъявляются
следующие основные требования:
шероховатость поверхностей (особенно
тонкостенных элементов) должна быть
минимальной; при чистовой обработке
элементов модели температура
поверхностных слоев не должна превышать
60 °С, а сама обработка должна
выполняться без применения масла, так
как органическое стекло обладает
значительной маслоемкостью.
Склейку заготовок моделей между
собой наиболее удобно выполнять с
помощью дихлорэтанового клея (5—
6 % органического стекла в
дихлорэтане ЧДА). Перед склейкой
склеиваемые части заготовок обезжиривают
в начале бензином «Калоша», а затем
этиловым спиртом и погружают в
зависимости от толщины склеиваемых
деталей на 5—10 мин в ванну с чистым
дихлорэтаном. Далее на поверхность
кистью наносят слой клея и
склеиваемые поверхности соединяют;
нагружают склеиваемые части для создания
в клеевом шве давлений порядка
0,05 МПа для тонкостенных моделей и
0,1—0,2 МПа для толстостенных. Для
выхода паров дихлорэтана из
внутренних закрытых полостей модели в ее
стенках выполняют одиночные
отверстия диаметром 5 мм. Для уменьшения
скорости испарения дихлорэтана, что
может приводить к образованию
пузырьков и непроклейкам, наружный
контур шва заклеивают клейкой
лентой. Нагрузку выдерживают на
модели 4—6 ч, затем снимают нагрузку,
модель освобождают от клейкой ленты
и подвергают обдуву воздухом 2—8 ч.
Тензометрические исследования
склеенных таким образом толстостенных
моделей можно выполнять не ранее
чем через 10 суток после склейки. Все
операции по склейке дихлорэтановым
клеем ведут в вытяжном шкафу.
Неплоскостность склеиваемых
поверхностей не должна превышать 0,1 мм.
В тех зонах модели, которые после ее
склейки окажутся недоступными,
необходимо выполнить установку тензо-
резисторов и монтаж соединительных
линий заранее до их склейки.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
ДЕФОРМАЦИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
4.1. Нагружение моделей. В моделях
воспроизводят два вида нагрузок:
нагрузки, прикладываемые к
поверхности детали от других соприкасающихся
с ней элементов или от действия
давления жидкости или газа, и силы,
приложенные по объему детали (силы
инерции, тяжести и т. д.).
Масштаб силового подобия тР
(соответственно нагрузку Рм на модель)
выбирают таким образом, чтобы при
нагружении модели иметь деформации
достаточной для их измерений
величины, не вызывающие ползучести ма-

Проведение измерений деформаций и перемещений 215
териала модели. Для органического
стекла, эпоксидной смолы этому
соответствуют максимально допустимые в
модели напряжения [а] = Б~6 МПа.
При этом вне зоны концентрации
средняя величина напряжений составит
2—3 МПа, что может быть измерено
с достаточной степенью точности.
Величину сосредоточенной
нагрузки Рм или давления рм в модели
определяют следующими способами:
для существующей или
спроектированной конструкции по выражениям:
п 1°м] „-2П . /А п
M = Vh\ 1 НУ
для вновь разрабатываемой
конструкции при отсутствии точных
данных о напряжениях и условиях в
натурной конструкции приближенным
расчетом наибольших напряжений или
путем пробных испытаний.
Нагружение моделей осуществляют
в специальных нагрузочных
устройствах, которые должны удовлетворять
следующим требованиям:
нагрузка на исследуемую модель
должна без искажений воспроизводить
соответствующую нагрузку на деталь,
причем следует обеспечить возможность
ступенчатого или плавного увеличения
нагрузки;
при нагружении модели несколькими
нагрузками необходимо достичь как
одновременного, так и раздельного
приложения нагрузок;
при деформации модели величины и
направления прилагаемых сил не
должны меняться, а также возникать
дополнительные нагрузки;
нагрузочное устройство должно быть
простым по конструкции, удобным для
монтажа модели и ее осмотра.
Поверхностные нагрузки на модель
могут создаваться грузами,
пружинами, винтовыми тягами
(механические нагрузочные устройства) и
давлением газа или жидкости
(пневматические и гидравлические устройства).
Объемные нагрузки (собственная сила
тяжести и центробежные силы)
создаются вращением модели на
центрифуге.
Наиболее часто при нагружении
моделей применяют рычажные
нагрузочные устройства. Их целесообразно
применять при нагрузках, не
превышающих 15- 103*Н. При большом числе
рычагов (точек приложения нагрузки)
грузы, действующие на рычаги через
посредство гибких или жестких тяг
и пружин, целесообразно размещать
на общей платформе, крторая с
помощью гидравлического или
механического домкратов может перемещаться
в вертикальном направлении.
Перемещение платформы может быть
отрегулировано так, что в ее крайнем
нижнем положении масса гирь действует
на рычаги, а в крайнем верхнем
положении гири опираются на платформу
и модель не нагружается. Такая схема
нагружения может быть легко
автоматизирована, и управление
нагружением осуществляется оператором или
управляющей ЭВМ. Это особенно
важно для обеспечения равенства
интервалов времени между нагружением
(разгрузкой) и снятием отсчета по тен-
зорезисторам и датчикам перемещений
(см. п. 4.2.4).
Нагружение моделей конструкций,
для которых рабочими нагрузками
являются внутреннее или внешнее
давление, осуществляется сжатым
воздухом (газом) или жидкостью. При этом
для создания внешнего для модели
давления она помещается внутри
резервуара (нагрузочного устройства), в
котором создается необходимое
давление газа или жидкости.
Наиболее удобно осуществлять
нагружение моделей с использованием
сжатого азота, подаваемого в модель
из промышленных баллонов, где он
первоначально находится под
давлением 15 МПа. Применение сжатого
азота определяется его относительно
низкой стоимостью и малым
содержанием в нем водяного конденсата. Для
уменьшения расхода газа и рабочего
объема, что важно с точки зрения
требований техники безопасности, в
модель необходимо помещать
вытеснитель. В качестве материала
вытеснителя можно использовать легкие,
достаточно прочные и жесткие материалы
типа пенопласта. Для лучшей
стабилизации давления внутри модели
вытеснитель помещают в оболочку из

216
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
/
тонкой резины или красят
нитрокраской в 3—4 слоя.
Герметизация внутреннего объема
моделей осуществляется тонкими
резиновыми манжетами. При этом надо
следить за обеспечением подобия жест-
костей стыков. Требование абсолютной
герметичности модели не всегда
необходимо, так как при малых утечках
газа через стыки достаточно легко
достигается равновесие между его
протоком из баллона и утечкой при
постоянном давлении внутри модели.
Сжатый газ должен поступать в
модель по шлангам высокого давления
через редуктор и тройной кран.
Контроль давления газа в модели следует
выполнять двумя (для контроля
показаний) образцовыми манометрами.
Обычно давление в модели не
превышает 0,4 МПа. Органы регулирования
и управления подачей газа в модель
и измерительная аппаратура должны
быть выведены за специальное
ограждение.
С целью обеспечения безопасности
эксперимента перед измерениями
модель необходимо подвергнуть
гидравлическим испытаниям на действие
давления р = 1,5од. Эти испытания
выполняют при нагружении модели
водой (до установки тензорезисторов) или
сжатым воздухом (азотом).
Нагружение моделей давлением
можно также осуществлять при
применении в качестве рабочей жидкости
трансформаторного масла, обладающего
диэлектрическими свойствами. При этом,
однако, повышаются требования к
обеспечению герметичности модели. Кроме
того, из-за значительной маслоемкости
материала модели (у органического
стекла маслоемкость достигает 3 %)
ухудшается качество наклейки
тензорезисторов на поверхностях, которые
до этого смачивались маслом.
Создание давления производится
поршневым насосом или сжатым газом,
действующим на свободную поверхность
рабочей жидкости.
При нагружении модели в
центрифуге с целью температурной
компенсации и исключения дополнительных
температурных или силовых (от трения
о воздух и давления встречного
потока) напряжений нужно обеспечить
вакуум в объеме, где вращается модель,
или поместить ее в
теплоизоляционный герметичный контейнер.
При нагружении модели сжатым
газом необходимо учитывать его нагрев
(при нагружении) или охлаждение (при
сбросе давления). Время
стабилизации температуры при этом составляет
около 2 мин. Учитывая это, а также
некоторую ползучесть материала при
проведении тензометрии моделей,
нагружаемых как сосредоточенными
нагрузками, так и внутренним давлением,
следует выдерживать интервал
времени 2 мин между моментом нагруже-
ния (разгрузки) и снятием отсчета по
тензорезисторам и датчикам
перемещений.
4.2. Измерение деформаций и
перемещений.
4.2.1. Выбор типа тензорезисторов
и их монтаж на модели. Наклеиваемые
в различных местах модели тензоре-
зисторы позволяют проводить
измерения по точкам поверхности модели.
Число измерительных точек, а также
число устанавливаемых в каждой точке
поверхности модели тензорезисторов
определяется типом напряженного
состояния и числом компонент
напряжений, которые должны быть определены
в каждой точке. В целях достоверной
проверки правильности показаний
тензорезисторов необходимо
устанавливать контрольные дублирующие тен-
зорезисторы в идентичных местах
модели. Учитывая, что в основном
размеры моделей меньше их оригиналов,
наибольшая длина базы
устанавливаемых на модели тензорезисторов редко
превышает 10 мм. Высокие градиенты
напряжений в зонах концентрации
требуют применения малобазных
тензорезисторов, (база 0,5—2 мм).
Для выявления наиболее
напряженных зон, направлений главных
напряжений, а также выбора мест установки
тензорезисторов целесообразно вначале
на модели проводить изучение полей
деформаций с применением хрупких
покрытий.
При тензометрии на моделях,
особенно в зонах концентрации
напряжений, необходимо учитывать, что
измеренная деформация и подсчитанное по
ней напряжение являются усреднен-

Проведение измерений деформаций и перемещений
217
О | 4 8 121 J6 J,%
О 5 10 15 20 25 30 ^w
Рис. П3.1. Оценка погрешности усреднения
напряжений на базе тензорезистора,
установленного на контуре отверстия:
I — место установки тензорезистора
ными на базе тензорезисторов. В
зонах с большим градиентом
напряжений это усреднение может заметно
сказываться на точности определения
наибольших напряжений.
Для случая широкой полосы с
отверстием (рис. П3.1) выражение для
вычисления погрешности из-за
усреднения на базе тензорезистора имеет
вид
а2 = 0;
(4.3)
о2 = 0,5^;
(4.4)
Для пластины с отверстием,
находящейся в условиях частого сдвига
(рис. П3.2), погрешность
В=(-^ \) ЮО о/о. (4.5)
к \ sin ад /
В формулах (4.3) — (4.5) а а —
центральный угол в радианах,
соответствующий тензорезистору с базой Sa»
установленному по контуру отверстия
с радиусом г. Таким образом, аа =
= f (Sd, г).
Приведенные выше выражения
могут быть использованы как для
приближенной оценки погрешности
измерений при заданных типе напряженного
состояния, базе тензорезисторов и
радиусе отверстия, так и для выбора базы
тензорезистора при заданных
погрешности и радиусе отверстия. На
рис. П3.2 приведены графики
зависимости ад = / (5а, г), а также величины
погрешности р = / (аа) Для трех
рассмотренных случаев.
Форма эпюры напряжений на
контуре отверстия в пластине,
нагруженной чистым сдвигом, является одной
из наиболее неблагоприятных с точки
зрения величины усреднения^ на базе
тензорезистора. Оценка погрешности
для этого случая, а также для других
форм концентраторов, имеющих
круговое очертание, может определяться
с превышением^по формуле (4.5).
Погрешность в определении
наибольших напряжений в зонах
концентрации может иметь место также из-за
того, что тензорезистор не будет
установлен в точке с максимальными
напряжениями. В этом случае точки
с максимальными напряжениями
выбирают по результатам
предварительного исследования с помощью хрупких
покрытий, оптически чувствительных
наклеек или расчетом. Применяют
также установку в зоне концентрации
Рис. П3.2. Графическая оценка усреднения
напряжений на базе тензорезистора:
/ — эпюра напряжений, полученная поля-
ризационно-оптическим методом; 2 —
тензорезистор; К — коэффициент усреднения

218
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
цепочки тензорезисторов или наклейку
нескольких тензорезисторов с
обеспечением взаимного перекрытия их баз.
На рис. П.3.2 дан пример графических
построений при оценке усреднения на
базе тензорезистора.
Для наклейки тензорезисторов на
модель применяют клеи холодного
отверждения: ацетоноцеллулоидный (6—
8 % целлулоида в ацетоне ЧДА) для
тензорезисторов на бумажной
подложке и «циакрин» — на бумажной и
полимерной подложках. Технология
наклейки тензорезисторов и
рекомендуемый тип клея указывают в
инструкции завода-изготовителя.
В качестве коммуникационных
проводов, учитывая высокие
диэлектрические свойства материала модели,
наиболее удобно применить провод марки
ПЭЛШО 0 0,22—0,28 мм. К
поверхности модели соединительные провода
прикрепляют в нескольких точках тем
же клеем, что и тензорезисторы, или
клейкой лентой. Жгут проводов от
модели к разъему помещают в
хлорвиниловую трубку 0 4—6 мм. К модели
жгут проводов в трубке крепят с
помощью металлической скрутки,
которая двумя концами при нагреве
паяльником погружается в тело модели
в зоне, где напряжения не исследуют.
Порядок коммутации тензорезисторов
с измерительными приборами и число
соединительных проводов указывают
в паспортах на эти приборы.
4.2.2. Измерительные приборы.
Аппаратура для измерения деформаций на
моделях из полимерных материалов
должна обеспечивать многоточечность
измерений, регистрировать
информацию в виде, удобном для
автоматической обработки на ЭВМ, иметь малое
напряжение питания на
измерительный полумост. Последнее' требование
особенно важно в связи с низкой
теплопроводностью полимерных материалов,
что может приводить к перегреву
тензорезисторов и появлению
значительных температурных погрешностей.
В настоящее время серийно
выпускают следующие типы и марки
приборов: многоточечные автоматические
цифровые мосты ЦТМ-5 и К-732, в
состав которых входят тензоизмеритель,
коммутатор, устройства вывода
информации (цифропечатающие
устройства и перфоратор); малогабаритные
измерительные мосты с ручным
переключателем каналов и визуальным
отсчетом деформаций ИСД-3 и ИДЦ-1.
Основные параметры указанных
приборов приведены в паспортах
Коммутация тензорезисторов осуществляется
в соответствии с паспортными
данными.
К недостаткам приборов ЦТМ-5 и
К-732, несколько затрудняющих их
применение при тензоизмерениях на
моделях из полимерных материалов,
следует отнести высокое напряжение
питания (соответственно 6 В и 5 В)
и отсутствие возможности применения
групповой и смешанной схем
компенсации тензорезисторов. При применении
тензорезисторов МПБ, допускающих
максимальный ток питания
тензорезисторов 1—3 мА [2], необходимо
использовать прибор ИСД-3, который
обеспечивает измерения при напряжении на
измерительном полумосте 0,1 В.
4.2.3. Измерение линейных и
угловых перемещений. Измерение
линейных и угловых перемещений
выполняют с применением индикаторов
часового типа и упругих тензометрических
скоб.
Индикаторы перемещений
стрелочного типа выпускают с диапазоном
измерений перемещений 1—10 мм и имеют
цену деления 0,001; 0,002 и 0,01 мм
в зависимости от типа индикатора.
Для крепления индикаторов к
металлическим поверхностям удобно
использовать штативы на магнитном
основании.
Упругие тензометрические скобы
используют для измерения перемещений
в тех местах, где неприменимы
стрелочные индикаторы, а также для
дистанционного измерения, что особенно
важно для моделей, нагруженных
внутренним давлением, и измерений в
замкнутых, недоступных визуальному
контролю местах модели.
Измеряемое перемещение /
пропорционально приращениям А показаний
тензометр ического прибора,
снимаемых с тензорезисторов, установленных
на упругих элементах
где с — постоянная упругой скобы,
определяемая ее градуировкой на мик-

Проведение измерений деформаций и перемещений
219
рометре. Постоянная с численно равна
величине взаимного перемещения
опорных точек упругих элементов,
вызвавшего приращение отсчета по
прибору на одно деление.
4.2.4. Порядок нагружения моделей
и проведения измерений. Проведение
статического тензометрирования
сводится к снятию показаний (отсчетов)
по тензорезисторам до нагружения —
нулевое состояние и снятию показаний
при наличии нагрузки — грузовое
состояние. По приращению А показаний
датчиков (деформаций и перемещений)
определяют искомые величины
деформаций, напряжений, усилий и
перемещений в модели, а затем по
формулам, приведенным в разделе 2.4,
осуществляют переход на натурную
конструкцию.
За нулевое состояние целесообразно
принимать состояние модели при
действии на нее нагрузки, равной 5—10 %
рабочей. При этом выбираются
возможные зазоры в узлах сопряжения,
в опорных. устройствах модели и
нагрузочных элементах, что приводит
к более стабильной и линейной работе
модели. При нагружении модели
внутренним давлением такая ее
предварительная пригрузка обеспечивает
более точное определение давления в
модели по шкале манометра. Модель
перед измерениями необходимо
подвергнуть трехкратному нагружению
нагрузкой, равной рабочей. Такая
«тренировка» материала модели повышает
его упругие свойства и обеспечивает
стабильность показаний тензорезисто-
ров.
Для исключения грубых промахов и
повышения точности измерений
приращение показаний Л определяют как
среднее для нескольких независимых
циклов нагружения. Обычно
выполняют 3—5 циклов нагружения. В
каждом из них производят ступенчатое
увеличение нагрузки до наибольшего
значения с проведением на каждой
ступени измерений по всем
измерительным точкам. При этом необходимо
точно выдержать двухминутный
интервал между моментами нагружения
(разгрузки) и« снятия отсчета. При
ступенчатом нагружении модели легко
обнаружить повреждения тензосхемы,
разрушение элементов модели,
неисправность нагрузочного устройства,
выражающиеся, как правило, в
нелинейности показаний. При этом также
можно установить нелинейную работу
модели вследствие потери
устойчивости ее элементов или в результате ее
упругого нелинейного деформирования
(например, при наличии
продольно-поперечного изгиба).
При проведении тензоизмерений на
моделях из полимерных материалов
необходимо регулярно измерять
температуру материала модели и
помещения, где проводятся исследования.
При необходимости в результаты
измерений следует вносить поправку на
температуру.
4.3. Обработка результатов с
применением ЭВМ. Применение при
исследованиях на моделях
автоматической цифровой аппаратуры и ЭВМ дает
по сравнению с ручным способом
измерения и обработки
экспериментальных данных следующие преимущества:
ускорение в 5—10 раз процесса
измерения и обработки цифровой
информации; повышение надежности
тензоизмерений в результате устранения
субъективных ошибок и проведения оценки
средних значений по ряду измерений;
учет воздействия на показания тензо-
резисторов влияющих факторов и исг
ключение влияния ползучести за счет
стабильности и сокращения интервала
времени между нулевым и грузовым
отсчетами в одном цикле нагружения
и между началом и концом измерения
по всем тензорезисторам,
установленным на модели; возможность анализа
и оценки результатов в процессе
эксперимента.
Схема обработки экспериментальных
данных содержит следующие
основные блоки:
1. Ввод массива экспериментальных
данных, состоящего из i строк (общее
количество отсчетов по каждому тен-
зорезистору) и / столбцов (число
обрабатываемых тензорезисторов).
2. Анализ сохранности тензосхемы
и исключение грубых промахов на
основании критериев отброса из так
называемых профессиональных
соображений (обрыв компенсационного или
рабочего тензорезистора, плохой
контакт и др.). Осуществляется проверка
на наличие в массиве отсчетов, у ка-

220
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
/
зывающих на обрыв рабочего или
компенсационного тензорезисторов
(например, в ЦТМ-3 соответственно 999
и 000).
3. При обнаружении такого рода
анормальных отсчетов на печать
выводятся номер тензорезистора (AfTp),
номер цикла нагружения (УУцН),
величина анормального отсчета.
4. Тензорезистор, имеющий
анормальный отсчет, из дальнейшей
обработки исключают.
5. По каждому тензорезистору для
данных циклов нагружения
подсчитывают приращения показаний (А$).
6. По каждому тензорезистору по
приращениям показаний вычисляют
среднее значение (А$. ср).
7. В соответствии с правилами
оценки анормальности результатов
наблюдений наибольшее по величине
приращение показания (Л max) сравнивают
с величиной (КР), равной
произведению среднеквадратического
отклонения, характеризующего погрешность
аппаратуры, и величины Р (взятой из
табл. 2, ГОСТ 11.002.73). Если
приращение показания Атах меньше
величины КР, то подозреваемый в
анормальности результат считают
нормальным и не исключают из обработки,
в противном случае его считают
анормальным и исключают из обработки.
Число приращений показаний
уменьшают на единицу и по оставшимся
показаниям определяют новые
значения Аср, Атах. Эти операции
повторяются до выполнения условия
Ашах < КР.
8. Определяют число (пг)
приращений показаний тензорезисторов,
оставшихся в результате отбраковки.
9. На печать выводят номер
тензорезистора (#тр), среднюю величину,
подсчитанную по всем приращениям
показаний, (Аср) и элементы массива
экспериментальных данных (с^),
соответствующие данному тензорезистору.
В этом блоке предусматривают
оператор «СТОП», позволяющий работать
в режиме «ОЖИДАНИЕ» для
осуществления задач блока 10.
10. Экспериментатор принимает
решение об исправлении тензосхемы,
модели, нагружающего устройства,
внесении исправлений в массив средних
значений Дср, j и повторении
измерений при продолжении обработки
результатов.
11. После получения массива
средних значений (Аср, j) производят
подсчет деформаций и напряжений с
учетом влияющих факторов (температуры;
ужесточения).
12. Вычисление внутренних усилий
и прогибов в модели; проверка
полученных результатов по равновесию и
сопоставлению экспериментальных и
расчетных усилий. Переход от
величин модели к натурной конструкции.
13. Вывод на печать таблицы
результатов обработки: номера
тензорезистора, величин деформации и
напряжений для модели и натуры и т. д.

Приложение 4 МЕТОД ХРУПКИХ
ПОКРЫТИЙ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ДЕФОРМАЦИЙ
(по MP 150-85)
1. ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Тензочувствительность хрупкого
покрытия е0 (мкм/м, %) — максимальное
относительное удлинение в условиях
линейного напряженного состояния на
поверхности изделия, при котором
в хрупком покрытии на этой
поверхности появляются первые трещины.
Приведенное понятие тензочувстви-
тельности хрупкого покрытия следует
отличать от аналогичного понятия тен-
зочувствительности, используемого в
тензометрии.
Постоянная хрупкого покрытия по
напряжениям — о0 (МРа)
максимальное растягивающее напряжение на
поверхности изделия в условиях
линейного напряженного состояния, при
котором в хрупком покрытии на этой
поверхности появляются первые
трещины.
Изоэнтата — линия, соединяющая
концы трещин и ограничивающая зону
распространения трещин в хрупком
покрытии, возникших в результате
приложения нагрузки к конструкции
(на чертежах отмечают пунктирной
линией).
2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
МЕТОДА
Метод хрупких тензочувствительных
покрытий заключается в нанесении на
исследуемую поверхность изделия
тонкого прозрачного хрупкого слоя и
визуальном наблюдении за образованием
в этом слое трещин при приложении
нагрузки к изделию. Образовавшиеся
трещины позволяют выявить зоны
максимальных деформаций, напряжений и
направления главных деформаций
(напряжений).
С применением рассматриваемого
метода возможна количественная оценка
деформаций (напряжений), так как
появление первых трещин в покрытии
происходит при определенных
достаточно стабильных значениях
максимального относительного удлинения гг (или
максимального растягивающего
напряжения ог) на поверхности изделия
в месте образования этих трещин, что
определяет чувствительность
покрытия к действию деформаций
(напряжений), т. е. ех = е0 (Oj = а0).
Величины е0 и а0 определяют градуировкой
покрытия на образцах с известным
распределением деформаций и
напряжений.-
Кроме рассматриваемых здесь
хрупких ' покрытий газопорошкового
напыления имеются другие типы
хрупких покрытий, получение и
применение которых требует более сложной
технологии. Газопорошковые хрупкие
покрытия по сравнению с другими
покрытиями, например с лаковыми, не
имеют в качестве компонента какого-
либо растворителя, поэтому более
безопасны и оперативны в применении,
в том числе в производственных
условиях испытания и доводки
конструкции по условиям прочности и
металлоемкости.
3. МАТЕРИАЛЫ
И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
ХРУПКИХ
тензочувствительных
покрытий
3.1. Общие сведения.
3.1.1. Для получения качественных
хрупких тензочувствительных
покрытий, обеспечивающих количественное
определение деформаций, материал
покрытия должен быть прозрачным,
обладать хорошей адгезией к
конструкционным материалам, иметь достаточно
низкий и стабильный предел прочности
в рабочих интервалах температур и
влажности окружающей среды. При
этом для возможности проведения из-

222
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
/
мерений в широком диапазоне
деформаций такой материал должен
обеспечивать возможность получения
хрупких покрытий с различными
значениями е0, а0.
3.1.2. Способы изготовления и
нанесения хрупких тензочувствительных
покрытий должны обеспечивать
безопасность работы с такими покрытиями
и оперативность применения их для
проведения измерений в лабораторных
и производственных условиях
испытаний изделий.
В результате выполненных в ИМАШ
разработок установлено, что для
определения полей деформаций и
напряжений в конструкциях при
температурах 10—40 °С и влажности 20—
90 % наиболее целесообразно
использовать способ газопламенного
порошкового напыления твердых
канифольных смол — резинатов бария.
Покрытия этого типа называют
газопорошковыми хрупкими покрытиями.
3.2. Составы и приготовление
порошков покрытий.
3.2.1. Для изготовления составов
хрупких газопорошковых покрытий
резинатов бария следует использовать
чистую природную канифоль
(сосновую живичную) высшего сорта и
химически чистый гидрат окиси бария,
которые производятся
промышленностью. Резинаты бария представляют
собой твердые смолы, получаемые в
результате термохимической реакции
канифоли с гидратом окиси бария,
и промышленностью не^выпускаются.
Количество гидрата оксида бария
составляет 1—4 % массы канифоли, что
соответствует номерам резината 1—4.
Могут быть использованы резинаты
промежуточных номеров, например
номера 1, 5 (1,5 % гидрата оксида бария
массы канифоли) и др.
3.2.2. Процесс приготовления
резинатов бария состоит из следующих
операций:
расплавления канифоли, доведения
температуры расплава до 230 °С
(температура реакции);
введения в расплав канифоли при
температуре 230 °С необходимого
количества кристаллического (очищенного
от белого аморфного порошка) гидрата
оксида бария небольшими порциями
по 0,1—0,2 г с поддержанием
температуры реакционной смеси 220—230 °С
(реакция идет с поглощением тепла);
повышения после полного введения
гидрата бария температуры
реакционного оксида до 270 °С и прекращение
нагрева;
охлаждения расплава резината до
температуры 150—180 °С и залквки
расплава в формы;
охлаждения резината в формах до
затвердевания и далее до комнатной
температуры.
3.2.3. Резинаты в виде крупных
кусков следует помещать для хранения
(сроком до года) в герметичные
емкости с активированным влагопоглоти-
телем. При более длительных сроках
хранения или при нарушениях
герметичности емкости пригодность
резинатов следует проверять контрольным
напылением и тарировкой покрытий.
3.2.4. Процесс изготовления
порошков из приготовленных резинатов для
последующего напыления их
газоплазменным способом состоит в
размельчении и просеивании их через сита с
числом ячеек порядка 1000 на см2.
Хранить порошки следует так же, как
и резинаты; время хранения
приготовленных порошков до напыления не
должно превышать одного месяца. При
более длительном хранении
необходимо повторное просеивание порошка
и контрольная проверка его
пригодности напылением и тарировкой
покрытия. Целесообразно готовить
порошки резинатов непосредственно
перед нанесением покрытий, с учетом
ориентировочного расхода 500 г
порошка на 1 м2 напыляемой
поверхности.
3.3. Состав и изготовление под-
слойки.
3.3.1. Если поверхность изделия, на
которую наносят хрупкое тензочув-
ствительное покрытие, имеет риски,
царапины и другие де<фекты, которые
при экспериментах могут быть
ошибочно приняты за трещины в покрытии
или мешают наблюдениям за
трещинами, то на такую поверхность следует
предварительно нанести подслойку —
тонкий красящий слой, сглаживающий
дефекты.

Получение и применение хрупких тенэочувствительных покрытий 223
3.3.2. В состав подслойки входят
этиловый эфир уксусной кислоты
(растворитель), целлулоид (связующее) и
алюминиевая пудра (окрашивающий
наполнитель). Эти компоненты
выпускаются промышленностью (в готовом
виде подслойку не производят).
3.3.3. Подслойку готовят следующим
образом. В растворитель вводят
размельченный целлулоид в количестве
1—2 % массы растворителя и
выдерживают состав в течение двух-трех
суток, периодически проводя
перемешивание раствора. После полного
растворения связующего, о чем
свидетельствует отсутствие вязкого осадка, в
полученный раствор вводят
алюминиевую пудру в количестве 2—3 % массы
растворителя. Состав тщательно
перемешивают и процеживают через два
слоя марли.
3.3.4. Составы подслойки следует
хранить в герметичных стеклянных и
металлических емкостях.
Приготовление, хранение и нанесение подслойки
необходимо выполнять с соблюдением
требований техники безопасности,
установленных для работ с
легковоспламеняющимися жидкостями. Так как
алюминиевая пудра постепенно
оседает на дно емкости, то в процессе
нанесения подслойки состав следует
периодически взбалтывать.
3.4. Оборудование для выполнения
газопорошкового напыления хрупких
покрытий.
3.4.1. Способ газопорошкового
напыления хрупких покрытий состоит в
распылении порошка резината в
пламени газовой горелки. При этом
частицы порошка в расплавленном
состоянии попадают на поверхность
изделия, где затвердевают, образуя
покрытие. Такой способ весьма
эффективен, так как его применение
позволяет за короткое время получить
достаточно равномерное и качественное
покрытие на большой площади
изделий со сложной формой поверхности
и оперативно провести
экспериментальные исследования, поскольку нагруже-
ние изделий с нанесенным хрупким
покрытием можно проводить сразу
после охлаждения поверхности
изделия до температуры окружающей
среды.
3.4.2. Опыт ИМАШ показал, что для
проведения в лабораторных и
производственных условиях газопорошкового
напыления хрупких покрытий
наиболее подходит выпускаемая установка
УПН-б-63 газоплазменного
порошкового напыления легкоплавких
материалов. Масса и габаритные размеры
такой установки минимальны; она
экономична в отношении расхода газов,
причем требуемые для ее работы газы
(ацетилен или» пропан и сжатый
воздух) могут подаваться из сети,
генераторов, баллонов и компрессоров. При
дальнейшем изложении
технологических приемов и рекомендаций по
газопорошковому напылению хрупких
покрытий имеется в виду использование
установки УПН-6-63.
3.4.3. Установка УПН-6-63 (рис.
П4.1) состоит из герметичного
питательного бачка, горелки-распылителя,
шлангов, и для подачи соответственно
сжатого воздуха, ацетилена (или
пропана) и порошка покрытия. При
подаче сжатого воздуха в порошковом
канале горелки-распылителя создается
разрежение, которое через порошковый
шланг передается в питательный бачок.
Так как бачок герметичен, воздух из
атмосферы подсасывается в бачок через
фильтр и сопла, захватывает порошок
покрытия и подает его через шланг
в горелку. Вентили служат для
регулирования режима напыления, т. е.
пламени горелки и подачи порошка.
3.4.4. При подготовке к проведению
газопорошкового напыления с
применением установки УПН-6-63 должны
быть выполнены правила и
требования, изложенные в паспорте установки.
Дополнительным требованием,
которое необходимо выполнять при
нанесении хрупких покрытий приведенного
состава, является обязательная очистка
сжатого воздуха от влаги и масла,
попадание которых в резинат бария
приводит к существенному снижению
качества покрытия или к полной
непригодности его для измерений
деформаций и напряжений. Поэтому между
установкой напыления и системой
сжатого воздуха следует установить
соответствующие фильтры.

224
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Рис. П4.1. Схема установки для нанесения хрупких покрытий:
/ — герметичный бачок с порошком покрытия; 2 — горелка-распылитель; 3 — шланг для
подачи сжатого воздуха; 4 -»- шланг для подачи ацетилена; 5 — шланг для подачи
порошка покрытия; 6 — фильтр; 7 — сопло; 8 — порошок покрытия; 9 — вентили
3.5. Оборудование для нанесения под-
слойки.
Для нанесения на изделия подслойки
следует использовать выпускаемые
промышленностью аэрографы марки А-1
или краскораспылители любых типов.
На изделия со сложной формой
поверхности для получения тонкого
равномерного слоя подслойку наносят
аэрографом, для больших поверхностей
простой формы предпочтительны
краскораспылители..
3.6. Градуировочные устройства
3.6.1. Для количественного
определения деформаций (напряжений)
методом хрупких покрытий необходимо
знать тензочувствительность е0
хрупкого покрытия и статическое
рассеивание этой величины. С этой целью
проводят градуировку хрупкого
покрытия на образцах с известными
распределением и величиной деформации
(напряжения) на поверхности (такие
образцы называют градуировочными).
3.6.2. Для градуировки хрупких
газопорошковых покрытий целесообразно
применять образцы в виде плоских
прямоугольных балок, например,
длиной / = 300 мм, шириной b = 30 мм
и высотой h = 5 мм, изготовленных
из того же материала, что и
исследуемое изделие. Чтобы иметь возможность
оценивать при экспериментах разброс
значений е0, число таких образцов
должно быть не менее двух.
3.6.3. Приспособление для
градуировки должно обеспечивать
консольный изгиб образцов при приложении
к свободному концу балки известной
изгибающей нагрузки Р или создании
на свободном конце балки известного
фиксированного прогиба /. В этом
случае по длине / рабочего пролета
балки будут линейно распределены
изгибающие моменты, а растянутые и
сжатые в поверхностях шириной b
будут находиться в линейном
напряженном состоянии максимальных
растягивающих и сжимающих
деформациях:
6Рх 3fhx
ex - -
Ebh
2/3
где х — текущая координата по оси
консоли от точки приложения
нагрузки Р к заделке (рис. П4.2); Е — модуль
упругости материала балки.
3.7. Осветительные устройства.
Для наблюдения за образованием и
развитием трещин в хрупком покрытии
следует использовать осветительные
приборы, обеспечивающие
направленный (сфокусированный) пучок света и
не приводящие к нагреву покрытия.
В качестве таких осветителей могут
служить низковольтные подсветки,
карманные фонари и др.

Технология нанесения хрупких газопорошковых покрытий
225
Рис. П4.2. Градунровочная балка
4. ПОДГОТОВКА И ТЕХНОЛОГИЯ
НАНЕСЕНИЯ ХРУПКИХ
ГАЗОПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ
4.1. Подготовка поверхности и
нанесение подслойки.
4.1.1. Перед проведением
газопламенного порошкового напыления
исследуемую поверхность изделия
необходимо тщательно очистить от грязи,
следов краски, клея ,и обезжирить
растворителем (ацетоном, толуолом и
др.). Попадание масла на напыляемую
поверхность недопустимо, так как
приводит к порче покрытия. Следует иметь
в виду, что при газопорошковом
напылении происходит незначительный
кратковременный нагрев поверхности
изделия, который может вызвать
выделение масла из-под болтовых
соединений, уплотнителей и т. п. Поверхность
таких элементов следует
предварительно нагреть пламенем горелки до
температуры 60—80 °С и удалить
выступившую смазку.
4.1.2. С целью лучшей видимости
трещин подготовленную поверхность
следует покрыть подслойкой.
Достаточность толщины слоя (1—2 мкм)
оценивают визуально по получению
равномерного матового серебристого
оттенка покрытой поверхности. Под-
слойка, как установлено, способствует
адгезии и не вносит искажений в
напряженно-деформированное состояние
поверхности изделия. Неравномерность
толщины подслойки в пределах 1—
2 мкм не влияет на точность
измерений. Для полного высыхания
подслойки требуется не более 10 мин.
Аналогичным способом проводят
подготовку поверхности и нанесение
подслойки на тарировочные образцы.
4.2. Выбор состава порошкового
покрытия.
Так как газопорошковые покрытия
оперативны в применении и испытания
изделий можно проводить практически
сразу после нанесения покрытия, то
выбор необходимого состава (номера)
порошка резината следует проводить
непосредственно перед проведением
экспериментов в соответствии с
климатическими условиями помещения, где
будут проходить испытания. В
зависимости от температуры Т и
относительной влажности А окружающей
среды для выбора номера резината
бария, обеспечивающего получение
хрупкого покрытия с некоторым
значением тензочувствительности е0 в
интервале от 5-10"4 до 10-10~4, можно
руководствоваться эмпирическим
графиком на рис. П4.3, где цифры 1—4
соответствуют номеру резината бария.
Для получения в тех же условиях
большего (меньшего) значения е0
покрытия следует использовать резинат
меньшего (соответственно большего)
номера. Точное значение е0 покрытия
в конкретных условиях испытания
определяют тарировкой.
4.3. Подготовка, включение и
регулирование установки газопорошкового
напыления.
4.3.1. Порошок выбранного номера
загружают в порошковый бачок, затем
выполняют сборку и подключение
установки к источникам газоснабжения
согласно инструкции, приведенной в
паспорте установки.
4.3.2. Перед включением горелки-
распылителя необходимо убедиться в
герметичности порошкового бачка и
достаточной плотности соединений
шлангов с горелкой, редукторами и
бачком. С места проведения напыления
должны быть убраны все посторонние
предметы и горючие материалы. После
этого следует проверить подачу
порошка в горелку нажатием на спуск
при открытом порошковом вентиле.
При этом первоначально может быть
сильная и плотная струя порошка,
плохо регулируемая порошковым
вентилем, так как в первую очередь
захватываются и вылетают более мелкие
пылевидные частицы. Когда струя по-

226
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
30
20
10
4^
3
2^
1
20
ttO
60
4%.
Рис. П4.3. Графики изменения
температуры Т в зависимости от относительной
влажности А окружающей среды для покрытий
разного состава
рошка станет регулируемой (через 1—
2 мин после включения подачи
порошка), можно зажигать горелку.
4.3.3. Порядок включения установки
следующий. Сначала нужно открыть
примерно на четверть оборота
воздушный вентиль, затем приоткрыть
газовый вентиль и зажечь пламя. Далее
проводят регулирование режима
горения этими двумя вентилями так, чтобы
пламя не было коптящим, и видимый
визуально факел пламени был по'
возможности коротким (50—70 мм) и имел
фиолетовый цвет с минимальной
яркостью. После этого приоткрывают
порошковый вентиль на спуск и
включают подачу порошка. При этом
возможно резкое увеличение длины
факела пламени (до 300—500 мм) и яркости
его свечения, что вызвано сгоранием
оставшихся мельчайших частиц
порошка или чрезмерно интенсивной
подачей порошка. В этом случае
необходимо провести регулирование подачи
его порошковым вентилем. Режим
установки будет нормальным, если длина
видимого факела пламени составляет
50—70 мм и при включении подачи
порошка увеличивается не более чем
на 20—30 мм, а яркость минимальна
и практически не изменяется.
4.3.4. После регулирования
установки проводят пробное напыление
покрытия на предварительно
подготовленные образцы, например, плоские
пластины из того же материала, что и
исследуемое изделие; толщины этих
образцов должны примерно
соответствовать толщинам исследуемых
элементов изделия.
4.4. Проведение газопорошкового
напыления хрупких покрытий.
4.4.1. Технология и режимы
газопорошкового напыления хрупких тен-
зопокрытий (отработаны в ИМАШ)
должны обеспечивать минимальные
температуру (не более 90 °С) и
длительность (несколько секунд) нагрева
поверхности изделия при нанесении
такого покрытия. Таким образом, нагрев
при газопорошковом напылении
хрупких покрытий не влияет на свойства
не только обычных конструкционных
материалов, но и других
вспомогательных материалов (прокладки,
уплотнители, герметики и др.).
4.4.2. Нанесение газопорошковых
хрупких покрытий на изделия следует
выполнять следующим образом.
4.4.3. Поверхность изделия сначала
подогревают горелкой равномерно по
всей покрываемой площади. Если
толщины напыляемых элементов изделия
более 5 мм, нагрев поверхности
осуществляют непосредственно пламенем
горелки (расстояние от сопла горелки
до поверхности 30—50 мм). Для
тонкостенных элементов (толщиной менее
5 мм) нагрев следует проводить
горячим воздухом от пламени (сопло
горелки удалено от поверхности на 200 мм
и более).
В процессе нагрева поверхности
изделия следует периодически включать
подачу порошка и следить за
прилипанием частиц порошка к
поверхности. До тех пор, пока температура
поверхности не станет близкой к
температуре размягчения резината (60—
70 °С), частицы будут отскакивать от
поверхности. При температурах,
близких к температуре размягчения,
наблюдается прилипание к поверхности
частиц порошка, образующих тонкий
зернистый слой. При дальнейшем
увеличении температуры происходит
увеличение толщины этого слоя. Слияние
частиц и образование сплошного про-

Характеристики хрупких гаэопорошковых покрытий
227
зрачного покрытия происходит при
температуре поверхности 80—90 °С.
Этот процесс хорошо виден
визуально. Поэтому, как только частицы
порошка начнут прилипать к
поверхности, образуя матовый зернистый
слой, горелку следует поместить в
исходное для напыления положение —
расстояние от сопла горелки до
поверхности изделия 100—150 мм, угол
наклона факела пламени к поверхности
40—60 . После этого включают
непрерывную подачу порошка и ведут
наблюдение за образованием
покрытия. Как только в исходной точке
поверхности произойдет слияние частиц
резината и образуется сплошной
прозрачный слой, необходимо начать
плавное перемещение горелки вдоль
напыляемой поверхности. Оптимальная
толщина газопламенного хрупкого
покрытия составляет примерно 0,1 мм и
оценивается визуально по цвету или при
сравнении с эталонным образцом. При
минимальном навыке оператора может
быть обеспечен^ получение
качественного равномерного по толщине
хрупкого покрытия. Незначительные
отклонения в пределах ±0,02 мм
толщины покрытия от оптимального
значения не сказываются на свойствах
хрупкого покрытия и точности
измерений.
4.4.4. При нанесении
газопорошковых хрупких покрытий необходимо
следить за своевременным перемещением
гор елки-распылителя с тем, чтобы не
допустить перегрева покрытия. Даже
незначительный перегрев может быть
визуально зафиксирован. Так, при
температуре выше 100 °С резинат
становится настолько жидким, что
начинает стекать с наклонных
поверхностей, а на горизонтальных
поверхностях — растекаться от воздействия
струи горячего воздуха от горелки.
Такая «подвижность» покрытия,
обусловленная жидким состоянием
резината, не наблюдается в пределах
указанных оптимальных температур
формирования покрытия. Качество
покрытия при перегреве ухудшается, но
избежать перегрева практически просто
при минимальном опыте оператора.
4.4.5. Одновременно с нанесением
покрытия на изделие или сразу после
этого следует нанести покрытие того же
состава на тарировочные образцы. Для
обеспечения максимально точной
оценки деформаций и напряжений при
применении газопорошковых хрупких
покрытий требуется примерное равенство
скоростей охлаждения поверхности
изделия и тарировочных образцов после
нанесения покрытий. Поэтому
тарировочные балки сразу после напыления
покрытий размещают на поверхности
изделия в непосредственной близости
с исследуемыми зонами так, чтобы их
охлаждение происходило практически
в одинаковых условиях.
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ХРУПКИХ
ГАЗОПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ
И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
5.1. Общие сведения. Хрупкие тен-
зочувствительные покрытия
характеризуются тензочувствительностью е0
и ее рассеиванием, диапазоном
измеряемых деформаций, интервалами
рабочих температур и влажности, а также
влиянием на тензочувствительность
характера
напряженно-деформированного состояния изделия и других
факторов. .
5.2. Тензочувствительность
покрытия е0 и разброс значений е0.
5.2.1. Основной характеристикой
хрупкого покрытия является
тензочувствительность е0 покрытия,
которую определяют тарировкой с
использованием образцов, описанных ранее.
При консольном изгибе тарировочной
балки е0 определяют как деформацию
растяжения на поверхности такой
балки в месте прохождения граничной
(последней от заделки) трещины,
отделяющей зону покрытия с трещинами
от зоны без трещин (см. рис. 2).
5.2.2. Экспериментальная оценка
имеющегося разброса значений е0
хрупких газопорошковых покрытий,
выполненная на большом числе образцов
с применением статистических
методов обработки результатов измерений,
показала, что при достаточно
стабильных условиях испытаний (изменения
температуры — не более ±1°С и
относительной влажности — не более
±5 %) отклонение от среднего
значения тензочувствительности не превы-

228
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
/
шают ±15%, что характеризует
погрешность метода хрупких покрытий
при количественном определении
деформаций и напряжений в изделиях.
В указанных стабильных условиях
испытания достаточно точная и надежная
оценка е0 обеспечивается тарировкой
покрытий на трех—пяти образцах.
5.3. Диапазон измерений.
5.3.1. Рассмотренные составы
резинатов и технология их нанесения
обеспечивают, как установлено, получение
газопорошковых покрытий с
требуемой тензочувствительностью е0,
которая в зависимости от номера
резината и условий испытания может быть
установлена любой в пределах от 2 X
X 10~4 до 30- Ш~4, что определяет
рабочий диапазон измеряемых деформаций
для таких покрытий.
5.3.2. Установлено, что
газопорошковые хрупкие покрытия имеют
рабочие диапазоны температур 10—40 °С
и относительной влажности 20—90 %.
В этих диапазонах при применении
хрупких покрытий возможна
количественная оценка
напряженно-деформированных состояний на поверхности
исследуемых изделий с установленной
погрешностью.
5.4. Влияние изменений
температуры и влажности.
Эксперименты по оценке влияния
температуры и влажности среды на тензо-
чувствительность газопорошковых
покрытий показали, что е0 изменяется
примерно на 5—10 % при изменении
температуры на 1 °С или на 5—10 %
при изменении влажности. Это
обусловлено в основном гигроскопичностью
и большим значением коэффициента
температурного расширения резината
(примерно на порядок больший, чем
у конструкционных материалов). При
повышении температуры и влажности
чувствительность хрупкого покрытия
понижается, и наоборот, что
необходимо учитывать, если в процессе
экспериментов услбвия испытаний
нестабильны. Для этого следует
периодически повторять градуировку
покрытия с целью проверки и
корректирования е0 в процессе измерений. В этом
случае может несколько увеличиться
погрешность измерений £, которую
согласно статистическому методам можно
определить по формулам:
л
I = 3S/e0; ё0 = — N е0;|
где ё0 — среднее значение тензочув-
ствительности, определенное с
использованием п градуировочных образцов;
е0;- — каждое измеренное при
градуировке значение тензочувствительности
(/ = 1, 2, ..., л); 5 — среднее квадра-
тическое отклонение.
5.5. Релаксация напряжений в
покрытии.
5.5.1. Тензочувствительность
хрупких газопорошковых покрытий
зависит от времени с момента получения
покрытия на изделии до начала
испытаний. Было установлено, что в течение
первых 2—3 ч после нанесения
покрытия его тензочувствительность
практически неизменна, а затем
наблюдается постепенное понижение
чувствительности, так что через 10—12 ч
значение е0 превышает начальное
примерно в 1,5 раза. Это вызвано постепенной
гидратацией резината атмосферной
влагой и релаксацией начальных
растягивающих напряжений в покрытии.
В случае длительных испытаний учет
изменения е0 во времени следует
осуществлять периодической
градуировкой покрытия.
5.5.2. Вследствие быстрой
релаксации напряжений в хрупком покрытии
на е0 влияют скорость приложения
нагрузки и длительность выдержки
изделия под нагрузкой. Это влияние
учитывают, нагружая градуировочные
образцы с той же скоростью, что и
изделие. Кроме того, после каждой
ступени нагружения изделия с хрупким
покрытием следует полностью снимать
нагрузку и выдерживать изделие в не-
нагруженном состоянии в течение
времени, вдвое большего суммарно
затраченного на нагружение, выдержку под
нагрузкой и разгрузкой изделия.
5.6. Влияние скорости охлаждения.
С особенностями технологии газопо-

Проведение экспериментов и обработка результатов измерений 229
рошкового напыления хрупких
покрытий связано влияние на е0 скорости
охлаждения изделия, на поверхность
которого нанесено покрытие. При
быстром охлаждении такого изделия до
температуры окружающей среды в
покрытии вследствие большого значения
коэффициента температурного
расширения резината возникают
значительные начальные растягивающие
напряжения, которые могут превысить
предел прочности материала покрытия
и привести к образованию
произвольных трещин, не имеющих"
определенной направленности (так называемое
«саморастрескивание» покрытия на не-
нагруженном изделии). Это может иметь
место на массивных металлоемких
изделиях (например, станины мощных
установок и др.), когда за счет
поглощения тепла большой массой изделия
его поверхность после напыления
охлаждается практически мгновенно. В
этих случаях используют порошок
резината с номером не более 1,0 или из
чистой канифоли. Как было отмечено,
тарировочные образцы обязательно
должны охлаждаться с той же
скоростью, что и изделие.
5.7. Влияние
напряженно-деформированного состояния. Поскольку
тензочувствительность хрупкого
покрытия определяют на образцах в
условиях линейного напряженного состояния
их поверхности, то для общего случая
напряженно-деформированного
состояния необходимо знать, как влияют на
образование трещин в покрытии
соотношения и знаки главных
напряжений ot и а2 (ох > о2>°з= 0) на
поверхность изделия, что определяет
критерий прочности материала покрытия.
Исследования, проведенные на
большом числе образцов с различными на
их поверхности соотношениями
главных напряжений, изменяющимися в
широком диапазоне, показали, что
величина и знак второго главного
напряжения аа практически не влияют на
тензочувствительность
газопорошкового хрупкого покрытия. Это означает,
что в общем случае плоского
напряженного состояния трещина в хрупком
покрытии возникает в том случае, когда
растягивающее напряжение на
поверхности изделия достигает определенного
независимого от аа значения а0 : а1 =
= а2 = е0£. На использовании этой
важной характеристики основана
методика проведения исследований с
применением рассматриваемых хрупких
покрытий.
6. ПРОВЕДЕНИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
6.1. Общие положения. Испытания
изделий с применением метода хрупких
тензочувствительных покрытий
следует проводить по заранее составленной
программе, где должны быть
определены предельная нагрузка на изделие
РПр, промежуточные уровни (ступени)
Рг < Р2 < ... < РПр» скорости нагру-
жения, число тарировочных образцов
и испытаний и другие возможные
особенности экспериментов.
Перед испытанием должны быть
подготовлены чертежи узлов или частей
поверхности изделия, которые
исследуются с применением хрупких
покрытий, для нанесения на них зон
распространения трещин и характерных
направлений трещин. Возможна
фиксация этих зон и направлений
непосредственно на покрытия с использованием
набора цветных фламастеров, но только
на ненагруженном изделии и при
осторожном прикосновении к покрытию.
В ряде случаев следует предусмотреть
фотографирование картин трещин.
6.2. Случай последовательного
нагружен и я изделия.
6.2.1. При постепенном
(ступенчатом, монотонном и т. п.) нагружении
изделия с хрупким покрытием первые
трещины в покрытии появляются при
' некотором значении нагрузки Р^ там,
где на поверхности изделия
растягивающие напряжения максимальны.
Обнаружение трещин в покрытии выполт
няют визуальным осмотром покрытия
со всех сторон при освещении
направленным лучом света от осветительного
прибора. Трещины наиболее хорошо
различимы, когда глаз наблюдателя
расположен рядом с осветителем, а угол
наклона луча света к покрытию, где
имеются трещины, составляет от 30
до 60 °.
Место появления первых трещин
необходимо зафиксировать на чертеже

230
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
или на покрытии и отметить нагрузку,
при которой эти трещины возникли.
Тем самым определяют наиболее
напряженные зоны поверхности изделия.
Так как направление максимального
растягивающего напряжения ах в
каждой точке трещины перпендикулярно
направлению трещины в этой точке, то
по траекториям трещин определяют
траектории главных напряжений. По
известной тензочувствительности
покрытия в месте появления трещин
определяют ох на поверхности изделия
(ai = ео£)» соответствующую той
нагрузке Р$, при которой эти трещины
возникли. В том же месте для любого
другого значения нагрузки Р
максимальные растягивающие напряжения атах
при упругих деформациях (здесь
рассматриваются только упругие
деформации) определяют пропорциональным
пересчетом: amax = o0P/Pi.
6.2.2. При дальнейшем увеличении
нагрузки трещины распространяются
дальше в менее напряженные зоны. Для
каждой ступени нагружения следует
отмечать границы зон распространения
трещин и соответствующие им
нагрузки. Так как каждому
определенному уровню (ступени) нагрузки
должна соответствовать своя изоэнтата, то
по полю изоэнтат определяют величину
и направление напряжений по всей
нагруженной области поверхности
изделия, где в хрупком покрытии имеются
трещины, т. е. получают поля
напряжений.
6.2.3. Так как трещины в
рассматриваемых хрупких покрытиях
возникают только от действия на
поверхности изделий растягивающих
напряжений, то для полного
определения компонентов главных
напряжений ог и а2 в общем случае
напряженного состояния на исследуемой
поверхности порядок проведения
экспериментов и измерений должен быть
следующим.
6.2.4. Сначала проводят испытание
в предположении двухосного
растяжения: аг > 0; а2 > 0. В этом случае,
как рассмотрено выше, покрытие
наносят на ненагруженное изделие, после
чего к нему постепенно прикладывают
рабочую нагрузку (такое испытание
называют прямым нагружением) и
фиксируют зоны появления и
распространения трещин от действия напряжения
ог > 0 (эти трещины называют
трещинами первого типа). Следует иметь
в виду, что при увеличении нагрузки
наряду с увеличением плотности и
развитием трещин первого типа в
покрытии в тех же нагруженных зонах
могут появиться трещины, направленные
по нормали к первым. Такие трещины
возникают, если второе главное
напряжение о*2 "> 0; их называют
трещинами второго типа. Наличие в зонах
покрытия при таком нагружении изделия
трещин сначала первого, а потом
второго типа служит свидетельством того,
что на поверхности изделия в этих
зонах напряженное состояние является
двухосным растяжением.
Поэтому в процессе
рассматриваемого испытания следует аналогичным
образом фиксирбвать места появления и
зоны распространения трещин второго
типа с указанием соответствующих
нагрузок. В местах, где первые трещины
первого типа возникли при известной
нагрузке Pi, а первые трещины
второго типа — при известной нагрузке
^11» (^П > ^i)> главные напряжения
на поверхности изделия,
соответствующие нагрузке Pi, определяют по
формулам:
— + jij£e0,
где а = PnlPiii = 0,35.
Для других значений нагрузки в
условиях упругих деформаций эти
напряжения определяются простой
пропорцией.
Возможен простой случай
рассматриваемого напряженного состояния,
когда ах « а2. В этом случае в
нагруженной зоне покрытия возникают
трещины, не имеющие определенной
направленности (беспорядочные). В
отличие от трещин при
саморастрескивании, которые обычно возникают сразу
по всему покрытию, трещины от
действия ог = 0*2 возникают в локальных
зонах и развиваются при росте нагрузки.
Таким образом, в рассмотренном
случае метод хрупких тензочувстви-
тельных покрытий позволяет
полностью определить напряженное
состояние в нагруженных зонах поверхности
изделия, не прибегая к другим
измерениям.

Удаление покрытия
231
6.2.5. Если в рассмотренном ранее
испытании имеют место только
трещины первого типа при максимально
допустимых нагрузках на изделие и
требуется определить зоны действия и
величины максимальных сжимающих
напряжений а2 < 0 от действия на
изделие рабочей нагрузки Р, то проводят
испытание в предположении
двухосного растяжения — сжатия (ог > 0;
о2 < 0) для выявления различными
способами зон максимальных
сжимающих напряжений и их значений.
6.2.6. Если имеется возможность
приложить к изделию нагрузку
обратного знака (—Р), т. е. обратную по
знаку рабочей нагрузке прямого нагруже-
ния, то в результате такого нагруже-
ния, которое называют обратным, в
изделии возникают напряжения, такие
же по абсолютной величине, как в
случае прямого нагружения, но обратного
знака. Поэтому после выполнения
прямого нагружения следует первое
покрытие удалить и на ненагруженное
изделие нанести новое хрупкое
покрытие с тензочувствительностью ej.
После этого проводят обратное нагруже-
ние, фиксируя соответствующие изоэн-
таты и нагрузки.
В тех местах, где образовались
трещины при обратном нагружении, но не
было трещин при прямом нагружении,
определяют максимальные сжимающих
напряжений a2=£ej,
соответствующих рабочим нагрузкам Р.
Для точек, в которых первые
трещины возникают при действии
нагрузки Pi и нагрузки Рц в обратном
нагружении, определяют главные
напряжения, соответствующие нагрузке Pj по
формулам:
аг = Ее0; а2 = — £е0/р,
где Р = Рц/Pi — известная из
эксперимента абсолютная величина
отношения нагрузок соответственно обратного
и прямого нагружении.
6.2.7. Если к изделию нельзя
приложить нагрузку, обратную по знаку
рабочей, следует после выполнения
прямого нагружения удалить первое
покрытие, нагрузить изделие
максимально возможной рабочей нагрузкой РШах
и при этой нагрузке нанести новое
хрупкое покрытие с
тензочувствительностью ej. Далее производят
ступенчатую разгрузку изделия и фиксируют
соответствующие нагрузки и зоны
появления и распространения трещин
в покрытии. Так как такой способ
испытания эквивалентен обратному на-
гружению, то компоненты главных
напряжений определяют аналогичным
образом по тем же зависимостям с учетом
того, что р = (Ртах — Pn)/Pi.
6.2.8. Если в хрупком покрытии при
применении рассмотренных способов
испытаний имеют место только трещины
какого-либо одного типа, то в
соответствующих зонах изделия
напряженное состояние близко к линейному.
6.3. Случай приложения нагрузки
постоянной величины. Если к изделию
можно лишь сразу приложить
нагрузку определенной величины и
осуществление ступенчатого или монотонного
нагружении невозможно, то порядок
проведения испытаний для
определения полей деформаций и напряжений
должен быть следующим.
На изделие наносят сначала хрупкое
покрытие максимальной
чувствительности, выполняют нагружение и
фиксируют полученные зоны
распространения трещин. Затем первое покрытие
удаляют, на изделие наносят новое
хрупкое покрытие меньшей
чувствительности и повторяют нагружение.
Серия таких повторных испытаний с
использованием нескольких составов
хрупких покрытий, дающих
различные значения е0, а0, позволяет
получить поле изоэнтат, по которому
определяют главные растягивающие
напряжения, исходя из того, что на изо-
энтантах эти напряжения равны
соответствующим значениям о0 покрытий.
Аналогичным образом выполняют
испытания при обратном нагружении
или разгрузке изделия с
использованием хрупких покрытий разной
чувствительности для определения
величин сжимающих напряжений.
7. УДАЛЕНИЕ ПОКРЫТИЯ
Хрупкое покрытие удаляют с
поверхности металлическими щетками или
скребками. Для полной очистки
поверхности от остатков резината и подслойки
используют бензин, ацетон или
различные типы смывок, применяемых
для снятия лакокрасочных покрытий.

Приложение 5
1. Тензорезисторы. Термины и
определения. М.: Госстандарт, СССР,
ГОСТ 20420—75. 1987. 9 с.
2. Тензорезисторы. Методы
определения характеристик. М.:
Госстандарт СССР, ГОСТ 21615—76. 1987.
27 с.
3. Тензорезисторы. Общие
технические условия. М.: Госстандарт
СССР, ГОСТ 21616—76. 1987. 17 с.
4. Государственная система
обеспечения единства измерений.
Государственная поверочная схема для
средств измерений деформации. М.:
Госстандарт СССР, ГОСТ 8.543—86.
1986. 4 с.
5. Методические рекомендации.
Расчеты и испытания на прочность в
машиностроении. Методы и
средства поверки испытательного
оборудования. Программы для
обработки на ЭВМ информации при
испытаниях тензорезисторов.
Разработаны ИМАШ АН СССР (А. Л.
Поляков, О. Б. Людмирская). М.:
Госстандарт СССР (ВНИИНМАШ),
MP 1—81. 1981. 138 с.
6. Методические рекомендации.
Расчеты и испытания на прочность.
Метод хрупких тензочувствитель-
ных покрытий для определения
деформаций. Разработаны ИМАШ АН
СССР (Н. И. Пригоровский,
В. К. Панских). М.: Госстандарт
СССР (ВНИИНМАШ), MP 150—85.
1985. 32 с.
7. Методические рекомендации.
Расчеты и испытания на
прочность. Тензорезисторы. Средства
определения характеристик.
Основные параметры. Разработаны
НИКИМП, ИМАШ АН СССР,
СФ ВНИИМ, ЦАГИ (И. М. Арте-
мичева, М. Л. Дайчик, А. В.
Игнатов, Н. П. Клокова, В. М.
Карпов, Л. Г. Курилова, М. М. Лупин-
ский, М. М. Лифанов, Б. В.
Могильный, А. Л. Поляков, В. Г. Шо-
пухов). М.: Госстандарт СССР
(ВНИИНМАШ), MP 173—85. 1985.
13 с.
8. Методические указания.
Государственная система обеспечения
единства измерений. Методика опреде-
ПЕРЕЧЕНЬ ОБЩЕСОЮЗНЫХ
НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ
ДОКУМЕНТОВ В ОБЛАСТИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ
И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ
НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
ления погрешности измерения
деформации проволочными и
фольговыми тензорезисторами.
Разработаны ИМАШ АН СССР, ЦАГИ,
СФ ВНИИМ (Б. В. Могильный,
А. Л. Поляков, Н. П. Клокова,
М. М. Лупинский, А. В. Игнатов,
Л. И. Косов, О. Б. Людмирская).
Свердловск: Госстандарт СССР (СФ
ВНИИМ), МИ 1347—86. 1986. 41 с.
9. Методические указания.
Государственная система обеспечения
единства измерений. Установки для
воспроизведения деформации.
Методика поверки. Разработаны
ВНИИМСО (А. В. Ретивов,
М. Е. Хмельнова). Свердловск:
Госстандарт СССР (ВНИИМСО),
МН 1742—87. 1987. 21 с.
10. Методические рекомендации.
Расчеты и испытания на прочность.
Программное обеспечение
тензометрии. Библиотека прикладных
программ для
высокотемпературной тензометрии. Разработаны
ИМАШ АН СССР (М. Л. Дайчик,
П. П. Кулаков, Г. А. Истомина,
М. Г. Корнеенкова, О. П. Пузико-
ва, В. А. Сизиков, Т. И.
Фролова). М.: Госстандарт СССР
(ВНИИНМАШ), MP 246—87. 1987.
11. Рекомендации. Расчеты и
испытания на прочность.
Экспериментальные методы определения
напряженно-деформированного состояния
элементов машин и конструкций.
Метод натурной тензометрии
энергетического
оборудования.Разработаны ИМАШ АН СССР (Г. X. Хур-
шудов, В. С. Сенин, Ю. К.
Михалев, А. И. Сергеев, С. В. Ма-
слов). М.: Госстандарт СССР
(ВНИИНМАШ), Р50-54-45—88,
1988. 48 с.
12. Рекомендации. Расчеты и испытания
на прочность. Метод тензометриче-
ских моделей из низкомодульных
материалов. Разработаны ИМАШ
АН СССР (Г. X. Хуршудов,
С. В. Никитин, А. И. Кук-
шинов). М.: Госстандарт СССР
(ВНИИНМАШ), Р50-54-46—88.
1988. 68 с.

Приложение 6
ХАРАКТЕРИСТИКИ
МАГНИТОГРАФОВ
Для регистрации измерительной
информации при тензометр ировании
применяют магнитографы типов Н067 и
Н068.
Технические данные
Число каналов записи
и воспроизведения 7/14
Ширина магнитной
ленты, мм 12,7/25,4
Длина ленты, м, не
менее 1000
Скорость движения
магнитной ленты, см/с . . 4,7; 9,5; 19;
38; 76; 152
Неравномерность АЧХ,
дБ:
для полосы I . . . 3
для полосы II . . . 2
Номинальный уровень
входного сигнала для
получения глубины
модуляции ±40 %, В, не
более ±1
Номинальное
напряжение питания при 50 ...
60 Гц, В 220±10 %
Номинальное
напряжение питания от сети
постоянного тока, В . . . 24±10 %
Потребляемая
мощность, В-А 220/250
Интервал рабочих
температур, °С 5 ... 35
Относительная
влажность при температуре
25 °С, % 85
Габаритные размеры,
мм:
магнитографа . . .630X300X315
блока питания . . .480X360X120
Масса, кг:
магнитографа . . . 55/45
блока питания . . . —/20
Примечание. В числителе
приведены данные для магнитографа
типа Н067, в знаменателе — для Н068.
Диапазон частот регистрируемых
сигналов и динамический диапазон
(полоса I/полоса II)
у
А
Р.
tt
и
152
76
38
19
9,5
4,7
Диапазон
частот, кГц
0 .
0 .
0.
0
0
0
. 40/0 ...
. 20/0 ...
. 10/0 ...
... 5/0 ...
... 2,5/0
1,25
.. 1,25/0
0,625
20
10
5
2,5

Динамический
диапазон, дБ
,
2
о*
в «и
<L> Я
О С =*
46/47
46/47
45/46
45/46
43/43
40/40
,
2
и
т к я
о о я
\ося
43/44
43/44
42/43
42/43
40/40
36/36
Устройство и работа комплектов.
Комплекты аппаратуры точной
магнитной записи обеспечивают
следующие режимы работы: запись,
воспроизведение, поиск, перемотку вперед,
перемотку назад и стоп. С помощью
встроенного счетчика осуществляется
автоматический поиск заданного метра
ленты. Управлять режимами работы
может непосредственно оператор с
пульта управления или дистанционно,
в том числе и от ЭВМ. Запись сигналов
начинается после достижения
номинальной скорости движения ленты.
В режиме «запись» обеспечивается
одновременно и воспроизведение
записываемых сигналов. Для обеспечения
надежной сохранности записанной
информации в комплектах предусмотрено
блокирование включения режима
«запись» при наличии записи на ленте.

234
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Для уменьшения погрешностей,
появляющихся в результате колебаний
скорости, в комплектах предусмотрены
режимы компенсации. Седьмой канал
комплекта Н067 и четырнадцатый
канал комплекта Н068 могут быть
использованы для записи и
воспроизведения речи.
Для проверки и оперативной
подстройки параметров каналов
предусмотрен встроенный блок
контроля.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Акселерометр тензометрический 122,
123
Аппаратура измерительная — Выбор
104
— ИДЦ-1 104
— КСМТ 104, 113
— Многоканальный осциллограф 104,
105
— Передвижной
информационно-измерительный комплекс —
Структурная схема 105
— Потенциометр типа КСП 105
— СИИТ-2, СИИТ-3 104
— Цифровой вольтметр Щ68003 105
Аппаратура тензометрическая.
Модели — 4АНЧ-22 и 8АНЧ-23 —
Структурная схема 66 —
Характеристики 67
—УТ-8 — Структурная схема 67 —
Технические характеристики 68
АСУ «Метрология» — Назначение 39
Г
Гермовыводы для соединительных
проводов 101 — Конструкции 102, 103
Гермотензодатчики — Варианты 99—
101
— Метрологические характеристики
100
— Применение и установка 138, 139
— Чувствительность 100
Гермотензорезисторы — Назначение и
установка 135
Гермотермопары — Назначение и
установка 135
д
Давления контактные — Величина и
распределение 27
Дескриптор — Определение 73, 74
— измерительной точки 75
— показаний приборов 74
— холодных спаев 75
Деформации — Измерение: на моделях
27; по точкам 118, 119 —
Концентрация 27 — Объемное
распределение 160 — Определение полей 184 —
Построение кругов 170 -г-
Применение полей 184 —
Экспериментальные и расчетные методы
определения 142—151
— в конструкциях в виде пластин и
оболочек 26, 27
— в корпусе реактора 142—147
— в пределах упругости — Формулы
для определения 187—192
— в рассматриваемой точке детали 170
— главные — Зависимости 178, 179 —
Определение 171, 172
-г- динамические 66—68 — Измерение
79
— квазистатические — Измерение 104,
см. также «Приборы для измерения
и регистрации деформаций*
— малые упругопластические 179
— относительные — Определение 154,
155
— статические 57—66, см. также
«Приборы для измерения и регистрации
деформаций*
— статодинамические 66—68, см.
также «Приборы для измерения
деформаций*
— упругие и неупругие —
Напряженное состояние в точке детали 175
— упругих элементов 120—123
Динамометр со стержнем 120
— с упругим элементом 121
— трехкомпонентный 122
Дискретизация процесса 79, 80
Дрейф выходного сигнала 196, 197,
200 — Получение 32, 34, 38
— начального сопротивления тензоре-
зистора 44
И
Измерения натурные — Обработка
результатов 114, 115 — Определение
деформаций и напряжений 115,
116 — Проведение 113

236
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
-г- статических и квазистатических
деформаций — Приборы: аналоговые
57—59; цифровые 57, 59—66
Измеритель статических деформаций
ИСД-3 — Назначение 57
— Структурная схема 58
— Технические характеристики 58
Изолинии 184
Изоэнтата — Определение 00
Имитатор выходных сигналов ИСТ-1 —
Назначение 66
Интерференция — Картина полос при
просвечивании модели корпуса
реактора 144, 146, 147
Интерферометрия голографическая 11,
15
Информация первичная. Обработка по
ступеням 77
— по точкам 78
К
Кабели соединительные — Марки 94,
96, 97
Компенсатор тензометрический ТК —
Структурная схема 63
Компенсация температурная —
Способы 90
Комплекс передвижной измерительно-
вычислительный 127
— информационно-измерительный —
Назначение 105 — Структурная
схема 105
Контроль тензометрический неразру-
шающий 18, 19
Коэффициент интенсивности
напряжений (КИН) — Определение 21
— концентрации температурных
напряжений (ККТН) 20, 185
— полинома 70
— пропорциональности масштабный 65
— Пуассона — Относительное
изменение 71
Л
Линии коммуникационные 163 —
Параметры 195
М
Магнитографы — Устройство 201 —
Характеристики 201, 202, 233, 234
Массив исходных данных —
Определение 73
Материал оптически нечувствительный
(ОНС) 17
Метод (определение полей деформаций
и напряжений) делительных сеток
14, 15
— «дождя» 81, 82
— дополняющих деформаций 21
— «замораживания» 145
— зеркально-оптический 14, 15
— измерений по точкам 9, 12
— когерентной оптики 11, 16
— кусочной аппроксимации 15
— муаровых полос 14, 15
— нулевой 52, 54, 55
— определения
напряженно-деформированного состояния — Выбор 22—
25 — Пример выбора метода 25,
26 — Определяемые величины 23
— определения полей деформаций и
напряжений 9 — Основные
характеристики 10, 11, 13
— плоской розетки 170
— «полных циклов» 81
— реплик 14, 15
— тензометрических моделей — Выбор
тензорезисторов 216—218 —
Изготовление моделей 214 —
Материалы 213, 214 — Моделирование
напряжений и перемещений 207 —
213 — Нагружение 214—216 —
Область применения 206 — Обработка
результатов с применением ЭВМ
219, 220 — Погрешность метода
206, 207 — Преимущества 19 —
Условия подобия 208, 209 —
Частные случаи моделирования 210—213
— хрупких тензочувствительных
покрытий 221—231
— экспериментальный — Основные
варианты использования 25, 26
Метод поляриэационно-оптический —
Объемное распределение
деформаций и напряжении 160
— Определение напряжений на
просвечиваемых моделях 157, 158
— Определение напряженного
состояния патрубка 162
— Сопоставление с данными натурной
тензометрии 164
Метод поляриэационно-оптический
исследования напряжений на
прозрачных моделях 16—18
— динамический фотоупругости 17
— интегральной фотоупругости 17
— «замораживания» 17 — Эпюры
меридиональных напряжений 145
— ползучести 17
— рассеянного света 17
— фиксации деформации при
нормальной температуре (полимеризации)
17
Метод раэмахов двухпараметрический—

Предметный указатель
237
Схематизация случайного процесса
79—82
Моделирование — Используемые
зависимости 186 — Условия подобия
186, 192
— деформаций 194
— механическое 20, 21 — Определение
температурных напряжений 160,
161
— составных деталей и узлов 186
— условий контакта 186
— центробежное 194
Модель зональная перфорированной
крышки корпуса реактора 159
— объемная корпуса реактора 144 —
Изменение температуры 151 —
Назначение 145, 146 — Расположение
тензорезисторов 146—148
— просвечиваемая объемная —
Исследование поляризационно-оптиче-
ским методом 164—167 —
Определение напряжений 157, 159 —
Подобие натурной детали 143, 194
— со слоями из оптически
нечувствительного материала 17
Модуль упругости —«Относительное
изменение 71
Мост автоматический КСМТ —
Назначение и характеристики 58
— Структурная схема 59
Н
Напряжения — Измерения 181—184 —
Исследование высокотемпературной
натурной тензометрией 162 —
Концентрация 27 — Натурные
измерения 165 — Объемное распределение
160 — Применение полей 184, 185 —
Способы расчета 161 —
Экспериментальные и расчетные методы
определения 142 — Эпюры 185
— в корпусе реактора 142—147
— в зонах патрубков 147—151, 156
— в пределах упругости — Формулы
для определения 187—192
— в рассматриваемой точке детали 170
— в точке по различным площадкам
177
— в узле сопряжения корпуса и
конической опорной оболочки 164
— в элементах главного разъема
реактора 157
— в элементе по различным
площадкам 176, 177
— главные 116 — Зависимости 178,
179 — Траектории 184 —
Определение по главным относительным
деформациям 180, 181 — Определение
при плоском напряженном
состоянии 69, 70
— меридиональные и кольцевые 145,
147, 159, 162, 163, 165
— на корпусе реактора при
расхолаживании 155, 156
— от действия изгибающих моментов
159
— при плоской деформации 150
— при пуске турбины 112, 158
— при расхолаживании 158
— температурные 143, 146, 150, 151 —
Определение 20, 21, 194
— термоупругие — Моделирование
161 — Определение 17
о
Обеспечение программное для тензоме-
трирования — Номера режимов и
ступеней 73
— «Натура» 72 — Структурная схема
76 — Реализация 78
Оборудование энергетическое — Анализ
напр яженно-деформированного
состояния 123
— Исследование 93
— Особенности условий работы систе*
мы тензометрии 85—88
— Пусконаладочные работы 85, 87
— Режимы испытаний и работы 124
П
Параметры вводимый и измеряемый —
Определения 73
Патрубки косые с наплавкой 159 —
Схемы 160
Перемещения — Измерения 181—184
— в конструкциях в виде пластин и
оболочек 26, 27
Пластичность — Решение неупругих
задач 17, 18
Погрешность измерений — Зависимость
поверхностной температуры от
скорости ее изменения 110 — Модель
196, 197 — Оценка составляющих
197—200
— деформаций 14, 195
— мультипликативная 65
— натурных — Определение 116
— относительная выходного сигнала
51, 52
— случайных — Исправление при
определении напряженного состояния
173
— тензометрической аппаратуры 195
— угла направлений главных дефор-

238
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
маций 14
Покрытия канифольного типа
горячего напыления 13
— оксидные наклеиваемые 13
— оптически чувствительные 13, 14
— тензочувствительные хрупкие 9, 10,
13 — Материалы 221—223—
Оборудование 223, 224 — Постоянная по
напряжениям 221 — Применение
221, 222 — Проведение
экспериментов и обработка результатов
измерений 229—231 — Удаление
покрытия 231
— хрупкие газопорошковые —
Рекомендации по использованию 227—
229 — Установки для напыления
225, 226
Ползучесть 196, 197, 199 — Решение
неупругих задач 17, 18
— тензорезистора 31, 36 —
Определение 37
Поля деформаций и напряжений —
Определение при натурной
тензометрии 19
Преобразователи первичные 113, 114
Приборы для измерения и регистрации
деформаций аналоговые 57—59;
— цифровые 59—66
— для измерения статодинамических
и динамических деформаций 66—68,
см. также «Аппаратура тензометри-
ческая»
— тензометрические — Функции
преобразования 52—56
Провода соединительные 94, 96 —
жаростойкие 94
— термопарные 95, 96
— термоэлектродные 95
Программа—диспетчер — Виды 76
Прочность несущих конструкций —
Обеспечение 27, 28
Р
Расхолаживание — Изменение
напряжений и температур в реакторе 158
Реакторы — Гидроиспытания корпуса
153
— Горячая промывка и обкатка 153
— Измерение деформаций 151
— Натурные тензометрические
исследования 131—141, 151—154
— Пробный энергопуск 153
— Пуск после ремонта 153, 154
— Расположение тензорезисторов и
термопар 152, 153
— Расчет отверстий в стенке корпуса
157
Режим испытаний — Определение 73
С
Система
информационно-измерительная — Исследование напряжений
в элементах главного разъема
реактора 134 — Назначение 69, 71
— Структурная схема для
исследования деформаций 48, 49
— высокотемпературная (ИИСВТ) —
Применение 123
Система натурной тензометрии —
Методы проверки 105—107 —-
Проверка после измерений 112, 113
Системы
информационно-измерительные тензометрические —
Обеспечение инвариантности к температуре
49—52
— многоканальные 46—48, 104
— многоточечные 47—49
— СИИТ-2, СИИТ-3 61, 62
— ТК-80 104, ИЗ
Спекл-фотография 15, 16
Спекл интерферометрия 15, 16
Стенд натурный — Устройство 149, 150
Стенд — тренажер для испытаний 1.06,
107
Ступень нагружения или нагрева —
Определение 73
Схемы измерения без компенсационного
тензорезистора 195
— с компенсационным тензорезисто-
ром 196
Т
Тензометр 18
Тензометрирование — Назначение 69,
71, 72
— динамическое — Математическое
обеспечение 79—82
— статическое и квазистатическое —
Программное обеспечение
многоточечных систем 72—79
Тензометрия высокотемпературная —
Обработка информации 69—72
— Припои для пайки 100
— Флюсы для пайки 101
Тензометрия натурная — Задачи и
подготовка 124 — Определение
механических величин 118 — Основные
элементы системы 88—105 —
Применение 84, 85, 90 — Режимы 163 —
Сопоставление с данными поляри-
зационно-оптического метода 164 —
Условия проведения 72 —
Эффективность применения 125

Предметный указатель
239
—- в условиях нестационарных
температур 139
— конструкций энергетического
оборудования 123
— косого патрубка — Напряжения
163, 164
Тензометрия натурная внутрикорпус-
ных устройств 131 — Исследование
узла разъема корпуса реактора 134
— Затяг шпилек 136
— Прочность и ресурс элементов 134
— Распределение и изменение
напряжений 136, 137
— Спектрограмма динамических
напряжений и пульсаций давлений 133
— Установившееся стационарное
состояние 133, 134
— Установка гермотензодатчиков 135
— Установка тензорезисторов и
датчиков 131, 132
Тензопреобразователи давления 121,
122
Тензорезистор- свидетель —
Определение 74
— компенсационный 107
Тензорезисторы — Влияние защитных
устройств 111 г
— Влияние нейтронного облучения
43—45
— Влияние скорости разогрева на
показания 99
— Выбор типов 88
— Выходной сигнал 34
— Защита 98
— Испытания 44
— Метрологические характеристики
195
— Момент кручения 120
— Определение деформаций 115, 116
— Определение сил и моментов 119
— Проверка перед измерениями 107
— Расположение и включение 148,150,
152, 153, 163, 181—184
—- Сопротивление 32, 33
— Способы установки 89, 90, 119,
180-184
— Схемы включения 50, 51, 55
— Температурные характеристики 107,
— Тепловые испытания 108
— Типы 29, 30
■— Установка на оборудовании 90—92
Форма чувствительных элементов 40
— Характеристики 29—33, 39—43
~7 Эпюры внутренних усилий 119
Тензорезисторы высокотемпературные
41—43 — Определение
метрологических характеристик 36—39
— компенсационные 90, 92, ИЗ —
Установка 163
— наклеиваемые 88
— на контуре плоской детали 119
— на металлической подложке 88, 89
— привариваемые 37, 40, 89, 99
— приклеиваемые фольговые 30, 40
— типа НМТ 99
— фирмы AILTECH (США) 99
Тензочувствительность хрупкого
покрытия 221 — Влияние: скорости
охлаждения 228, 229, температуры и
влажности 227, 229
Теплообменник — Аварийное
расхолаживание 139, 140
— Схема системы тензометрии 138, 139
— Тензометрия узлов в начальный
период эксплуатации 137
Термопара — Защита 98 — Проверка
перед измерениями 107, 108 —
Тепловые испытания 108, 109 — Уста-
тановка 92—94, 150, 153
— герметизированная 93
— дополнительная и резервная —
Определение 73, 74
— на внутренней поверхности
корпуса — Определение характеристик
109—111
Точка измерительная — Определение 73
Трубопроводы циркуляционные —
Динамические деформации 168
— Исследования напряжений 166—168
— Напряжения при расхолаживании
песли 167, 168
— Особенности 166
— Установка тензорезисторов 166, 167
Турбины паровые — Защита
тензорезисторов 126, 127
— Изменение деформаций, главных
напряжений и температур 128—130
— Напряженные состояния 127—129
— Натурные исследования 125—130
— Подготовка тензоизмерений 125, 126
— Размещение тензорезисторов и
термопар 125, 126
— Режим работы 125
Устройства защитные — Влияние на
результаты измерений 111, 112
— градуировочные 224
— для первичных преобразователей —
Типы 97
— клеммные — Конструкция 103,
104 — Назначение 103

240
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Устройство для измерения
составляющих нагрузки 121
— измерительное с изгибаемым
упругим элементом 121
Ф
Функция влияния температуры на
чувствительность 31, 35
— преобразования — Определение 30,
37
Характеристики метрологические.
Определение на установке СТТ-40 37
— ТВЦ-1 38, 39
— УТ-66 37, 38
Чувствительность тензорезистора 196,
197 — Определение 30, 31, 37
— поперечная 32, 33
Эксперимент — Определение 73 —
Формализация описания 74
— прочностной — Условия проведения
195
Энергопуск — Изменение напряжений
и температур 158
СПРАВОЧНИК СПЕЦИАЛИСТА
Дайчик Михаил Львович, Пригоровский Николай Иосифович,
Хуршудов Георгий Хуршудович
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАТУРНОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
Редакторы Е. В. Медведева, Я. Е. Кузнецова
Художественный редактор \А. И. Ро\
Технический редактор Л. А. Макарова
Корректоры: Я. Г. Богомолова, Л. Я- Шабашова
ИБ № 5253
Сдано в набор 16.03.88. Подписано в печать 21.12.88. Т-22168. Формат 60x907ie-
Бумага офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 15,0.
Усл. кр.-отт. 15,0. Уч.-изд. л. 21,65. Тираж 11 200 экз. Заказ 415. Цена 1 р. 50 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение»,
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.