מד מתח / מאמץ: עקרון, סוגים, תכונות ויישומים

מדדי מתח הם כלי גאוטכני חשוב למדידת המתח/מאמץ בחללים תת-קרקעיים, מנהרות, מבנים, בטון, סכרי בנייה, גשרים, הטמעה באדמה / בטון, וכו’. המטרה העיקרית של מד המתח/לחץ/מאמץ היא לקבוע בעקיפין את הלחץ/מאמץ ואת השונות שלו עם הזמן, באופן כמותי. שינוי במתח/לחץ/מאמץ נקבע על ידי הכפלת המתח הנמדד במודולוס האלסטיות.

להלן כל מה שאתה צריך לדעת על מדדי מתח. סקרנו את עקרונות העבודה שלו, מאפייניו, תכונותיו וכן תחומי היישום שלו.

 

מהו מד מתח?

 

מד מתח/לחץ/מאמץ או Strain Gage הומצא בשנת 1938 על ידי אדוארד סימונס וארתור סי רוג’. זהו אחד החיישנים המשמעותיים המשמשים בתחום הגיאוטכני למדידת כמות המתח של כל מבנה (סכר, בניינים, כורים גרעיניים, מנהרות וכו’). ההתנגדות של מד המתח משתנה עם הכוח המופעל והיא ממירה פרמטרים כמו כוח, לחץ, מתח, משקל וכו’ לשינוי בהתנגדות שניתן למדוד בהמשך.

בכל פעם שמפעילים כוח חיצוני על עצם הוא נוטה לשנות את צורתו וגודלו ובכך לשנות את התנגדותו. הלחץ הוא יכולת ההתנגדות הפנימית של אובייקט ואילו המתח הוא כמות העיוות שהוא חווה.

כל מד מתח/לחץ בסיסי מורכב מגיבוי גמיש מבודד התומך בתבנית נייר מתכתי. המד מחובר לאובייקט תחת לחץ באמצעות דבק. העיוות באובייקט גורם לנייר המתכת להתעוות מה שבסופו של דבר משנה את ההתנגדות החשמלית של הנייר. שינוי התנגדות זה נמדד על ידי גשר Wheatstone שקשור למתח/לחץ במדד הנקרא “מקדם מד”.

 

איך מד מתח עובד?

 

מד מתח תלוי בהתנגדות החשמלית של כל מוליך. ההתנגדות בכל מכשיר מוליך תלויה באורכו כמו גם באזור חתך הרוחב.

נניח ש- L1 הוא האורך המקורי של החוט ו- L2 הוא האורך החדש לאחר שהופעל עליו כוח חיצוני, המתח (ε) ניתן על ידי הנוסחה:

ε = (L2-L1) / L1

כעת, בכל פעם שכוח חיצוני משנה את הפרמטרים הפיזיים של אובייקט, גם ההתנגדות החשמלית שלו משתנה. מד המתח מודד עיוות זה באמצעות הנוסחה של מקדם המד.

בחיים האמיתיים, הניטור נעשה בעת הקמת מבני בטון או אנדרטאות, כאשר העומס מוחל בנקודת יישום העומס של תא עומס המורכב ממד מתח בבסיסו. ברגע שהכוח מופעל, מד המתח/לחץ מתעוות, ועיוות זה גורם לשינוי בהתנגדותו החשמלית שמשנה בסופו של דבר את מתח היציאה.

גורם מד הוא מקדם הרגישות של מדדי מתח, וניתן על ידי הנוסחה:

GF = [ΔR / (R _G * ε)]

כאשר:

ΔR = שינוי בהתנגדות הנגרמת עקב עומס

RG = התנגדות של מד לא מעוצב

ε = מתח/לחץ

גורם המדד לפיסת הנייר המתכתי הנפוץ הוא בדרך כלל קצת יותר מ -2. SV הוא מתח היציאה של גשר ה – Wheatstone, וניתן על ידי הנוסחה:

SV = {EV x [(GF x ε) / 4]}

כאשר:

EV הוא מתח גירוי הגשר

גורם המדד של חומרים שונים הוא כמפורט להלן:

חוֹמֶר	גורם מדד
מד מתח נייר מתכת	2-5
קרום מתכת דק (למשל constantan)	2
גביש סיליקון יחיד	125- עד 200+
פוליסיליקון	± 30
p-type Ge	102
נגדי סרטים עבים	100

 

מהו עקרון העבודה של מד המתח

 

מד מתח ההתנגדות החשמלי מתפקד על עקרון המוליכות החשמלית ותלותו בגיאומטריה של המוליך. בכל פעם שמוליך נמתח בגבולות האלסטיות שלו, הוא לא נשבר אלא הופך להיות צר יותר וארוך יותר. באופן דומה, כאשר הוא דחוס, הוא מתקצר ורחב יותר, ובסופו של דבר משנה את ההתנגדות שלו.

ידוע לנו כי ההתנגדות תלויה ישירות באורך ובשטח חתך המוליך הניתן על ידי:

R = L / A
כאשר
R = התנגדות
L = אורך
A = שטח החתך
השינוי בצורתו וגודלו של המוליך משנה גם את אורכו ואת שטח החתך וזה משפיע בסופו של דבר על ההתנגדות שלו.

לכל מד מתח טיפוסי תהיה רצועה מוליכה ארוכה ודקה המסודרת בתבנית זיג-זג של קווים מקבילים. הסיבה מאחורי יישורם בצורה של זיג-זג היא שהם לא מגבירים את הרגישות שכן אחוז שינוי ההתנגדות של זן נתון לכל הרצועה המוליכה זהה בכל הסימנים הבודדים.

כמו כן, סימן בודד עלול להתחמם יתר על המידה וישנה את התנגדותו ובכך יקשה על מדידת השינויים במדויק.

 

איך מודדים מתח עם מד מתח?

 

כפי שצוין קודם לכן, מדדי מתח עובדים על עיקרון ההתנגדות של המוליך אשר נותן לך את הערך של גורם המד באמצעות הנוסחה:

GF = [ΔR / (RG * ε)]

כעת, בפועל, השינוי במתח של אובייקט הוא כמות קטנה מאוד שניתן למדוד אותה רק באמצעות גשר Wheatstone. מעגל גשר Wheatstone ניתן להלן.

איור 1: מעגל מד מתח

 

גשר Wheatstone הוא רשת של ארבעה נגדים עם מתח עירור, V_ex המופעל על כל הגשר. גשר ה- Wheatstone הוא המקבילה החשמלית לשני מעגלי מחיצת מתח מקבילים עם R ₁ ו- R ₂ כאחד מהם ו- R ₃ ו- R ₄ כשני המעגלים .

הפלט של מעגל ה – Wheatstone ניתן על ידי:

Vo = [(R3/R3+R4) — (R2/R1+2)] * Vex

בכל פעם ש- R ₁ / R ₂ = R ₄ / R ₃ , מתח היציאהVo הוא אפס ונאמר שהגשר מאוזן. כל שינוי בערכים של R ₁ , R ₂ , R ₃ ו- R ₄ ישנה, אם כן, את מתח היציאה. אם תחליף את הנגד R4 במד מתח, אפילו שינוי קל בהתנגדותו ישנה את מתח היציאה Vex שהוא פונקציה של מתח. בין פלט המתח השווה ולפלט המתח יש תמיד יחס של 1:2.

 

מאפייני מדי מתח/מאמץ/לחץ

 

מד מתח הוא שימושי, חזק, ומוצא את היישומים שלו בתחומים גאוטכניים שונים. המאפיין שלהם הופך אותם לצורך הכרחי במהלך תהליך הניטור של כל מבנה, גשר, מנהרה וכו ‘. הנה כמה מהפרטים של מדי המתח שאתה צריך לדעת:

1. הם מדויקים ביותר ואינם מושפעים משינויי טמפרטורה. עם זאת, אם הם מושפעים משינויי טמפרטורה, יש בנמצא תרמיסטור זמין לתיקוני טמפרטורה.
2. הם אידיאליים לתקשורת למרחקים ארוכים שכן הפלט הוא אות חשמלי.
3. מדי המתח דורשים תחזוקה קלה ובעלי אורך פעולה ארוך.
4. ייצור מדי המתח קל בגלל עיקרון ההפעלה הפשוט והמספר הקטן של הרכיבים.
5. מדדי המתח מתאימים להתקנה לטווח הארוך. עם זאת, נדרשים אמצעי זהירות מסוימים בעת ההתקנה.
6. כל מדי המתח המיוצרים על ידי אנקרדיו-רייט (Encardio-Rite) אטומים הרמטית ומורכבים מפלדת אל חלד ובכך אטומים למים.
7. הם עטופים במלואם להגנה מפני נזקי טיפול והתקנה
8. ניתן גם להתקין צג דיגיטלי מרוחק עבור קריאת מדדי המתח /מאמץ

 

היכן משתמשים במדידות מתח/ מאמץ? | מהם היישומים של מדי מתח?

 

מדי מתח משמשים בהרחבה בתחום הניטור הגיאוטכני בכדי לשמור על בדיקה מתמדת של מבנים, סכרים, מנהרות ומבנים, כך שניתן יהיה להימנע מתקלות ותאונות מבעוד מועד. היישומים של מדדי מתח כוללים:

תעופה וחלל

מדי מתח מקובעים למרכיבים הנושאים עומסים מבניים לצורך מדידת מתחים לאורך נתיבי עומס לבדיקת סטיה או עיוות בכנף במטוס.

מדי המתח מחוברים למעגלי גשר ויטסטון Wheatstone)), ואזורי היישום שלהם כוללים יחידות מיזוג אות משולבות, ספקי כוח עירור והטלמטריה הדרושה לקריאה במדידות באתר.

גשרי כבלים

מכשור הגשרים נעשה על מנת לאמת פרמטרי תכנון, להעריך את הביצועים של טכנולוגיות חדשות המשמשות בבניית גשרים, לאימות ובקרה על תהליך הבנייה ולניטור ביצועים לאחר מכן.

גשרים אשר ממוכשרים היטב יכולים להזהיר רשויות אחראיות על כישלון מתקרב בכדי שאלו יוכלו לנקוט באמצעי מניעה. בחירה בסוגי חיישנים מתאימים, טכנולוגיה, טווח מדידה ומיקומם על הגשר חשובה מאוד למיטוב העלויות וכן בכדי להפיק את מלוא היתרונות של המכשור.

יש צורך לפקח באופן קבוע אחר כל עיוות בגשרים משום שעיוות כזה עלול להוביל לתאונות קטלניות. טכנולוגיית מד זווית משמשת לניטור בזמן אמת של גשרים ענקיים, מה שהופך את הבדיקות למדוייקות.

לדוגמא, גשר ימונה באללהאבאד-נאני הוא גשר שתלוי לאורכו על כבלים בגובה 630 מטר מעל לנהר ימונה. הגשר מותקן עם תעלות מדידה רבות המרגישות את מהירות הרוח והמתחים על הכבלים שלו.

ניטור מסילות רכבת

למדדי מתח יש היסטוריה ארוכה בבטיחות מסילות הרכבת. הם משמשים למדידת לחץ ומתח על מסילות. מדי מתח מדים מתח או דחיסה של צירים ללא השפעה על המסילות. במקרה חירום, מדדי המתח יכולים ליצור אזהרה, כך שניתן יהיה לבצע תחזוקה מוקדמת כדי למזער את ההשפעה על תנועת הרכבות.

מדידת מומנט וכוח בציוד מסתובב

מדדי מתח יכולים למדוד את המומנט המופעל על ידי מנוע, טורבינה או מנוע למאווררים, גנרטורים, גלגלים או מדחפים. תוכלו למצוא סוגים כאלה של ציוד בתחנות כוח, אוניות, בתי זיקוק, מכוניות ותעשיות.

 

מדוע מדדי מתח / מאמץ חשובים?

 

מדדי מתח משמשים בהרחבה בתחום הניטור והמכשור הגיאוטכני לפיקוח מתמיד על סכרים, כיסויים פנימיים של מנהרות, מבנים, גשרים תלויים על כבלים ותחנות כוח גרעיניות כדי למנוע תקלות ותאונות במקרה שיש עיוות כלשהו בהן.

פעולות מניעה שננקטות מבעוד מועד יכולות למנוע תאונות ואובדן חיים עקב עיוותים. מכאן שמדדי מתח הם חיישנים חשובים בתחום הגיאוטכני.

מדדי מתח מותקנים במבנים אלה ואז ניתן לשלוף את הנתונים המלאים מהם באמצעות יומני נתונים ויחידות קריאה. הם נחשבים כציוד מדידה משמעותי להבטחת הפריון והבטיחות.

 

סוגי מדדי המתח / לחץ

 

ישנם מספר סוגים של מד מתח שמתבססים על העיקרון של השימוש בהם. מכני, אופטי, אקוסטי, פנאומטי או חשמלי. בהתחשב בהתקנה, מדדי המתח יכולים להיות מחוברים או בלתי מחוברים לקונסטרוקציה, יכולים להיות לנו מדדי מתח מנייר או מוליכים למחצה, ו/או פוטואלקטריים.

 

מד המתח חוט רטט מתכתי אטום הרמטית

 

מתאים להטבעה באדמה או בבטון או להתקנה על משטח על ידי ריתוך על מבני פלדה. הוא מספק נתונים כמותיים משמעותיים על הגודל, ההתפשטות והפיזור של מתח הדחיסה והמתיחה והשתנותו עם הזמן.

מד המתח משלב את טכנולוגיית חוט הרטט העדכנית ביותר בכדי לספק את הקריאה הדיגיטלית המרוחקת של מד הדחיסה ומתיחה בסכרים, גשרים, חללים תת-קרקעיים, מנהרות ביוב / מטרו / רכבת / כביש , מכרות, מבני פלדה ואזורי יישום אחרים בהם נדרשות מדידות מתח.

יציבות לטווח הארוך מושגת על ידי מחזורים תרמיים ועומסים, השיטה הייחודית להידוק תיל על ידי יצירת ואקום של 1/1000 טור בתוך החיישן על ידי ריתוך קרן של אלקטרונים. התוצאה גורמת לביטול מוחלט של ההשפעות של חמצון, לחות, תנאים סביבתיים וכל כניסה של מים.

 

עיקרון עבודה של מד מתח חוט רטט אטום הרמטית

 

מד מתח חוט רטט בעצם מורכב מחוט מתוח בעל חוזק מתיחה גבוה, שקצהו האחד מעוגן והקצה השני מועבר באופן יחסי לשונות המתח.

כל שינוי במתח משפיע ישירות על מתח החוט, וכתוצאה מכך שינוי מקביל בתדר הרטט של החוט. יחידת הקריאה קוראת את התדר המהדהד, איתו החוט רוטט. המתח/לחץ הוא פרופורציונלי לריבוע התדר ויחידת הקריאה מסוגלת להציג זאת ישירות בלחצים.

 

מאפייני מד מתח חוט רטט אטום הרמטית

 

1. מד המתח הוא מדויק, חזק ובעלות נמוכה
2. בכך הוא מבטיח יציבות לטווח ארוך עם אמינות גבוהה
3. הוא אטום הרמטית תחת ואקום של 0.001 טור
4. מד המתח בנוי מפלדת אל חלד
5. זה לא דורש התקנה ותחזוקה מיוחדים
6. ניתן למצוא מגוון רחב של אביזרים יחד עם מד מתח זה
7. ניתן לקבל תרמיסטור לתיקון טמפרטורה
8. קריאה דיגיטלית מרחוק למדידת מתח
9. הקלדת רישום נתונים

 

יישומים של מד מתח תיל רטט אטום הרמטית

 

1. מדידה ופיקוח על מתח במבני בטון, סלע ופלדה
2. חקר חלוקת הלחץ בצלעות התומכות בחללים, תעלות ומנהרות
3. קביעה ופיקוח של חלוקת המתח בסכרים בבטון ובבנייה
4. בדיקת קטעי wye
5. ניטור מתחים בפירי לחץ

 

מאפיינים של מדד מתח רטט חוט תואם

 

1. מתאים להתקנה לטווח ארוך
2. קל להתקנה ועמיד בפני מים
3. המדידה האמינה והמדויקת ביותר האפשרית
4. מכוסה במלואו להגנה מפני נזקי טיפול והתקנה
5. בנייה מחוספסת

יישומים של מד מתח רטט חוט תואם

1. מתאים למדידת המתח במבני בטון מזוין
2. מדידת ערימות בטון ויציקת ערימות בטון במקום.
3. מדידת מתח בקירות סרעפת ה – slurry

 

מד לחץ / מתח MEMS

 

כידוע מדדי הלחץ/מתח מודדים את המתח בכל מבנה או חפץ כלשהו. אז, במה שונה מד המתח/לחץ MEMS מאלה הרשומים לעיל?
אם אנו מדברים על ביצועים, למדדי מתח מבוססי MEMS יש רגישות גבוהה יותר מאשר סוגים אחרים של מדדים, וכתוצאה מכך יתקבלו קריאות מדויקות מאוד. הם ידועים גם כבעלי חוזק שבר גבוה יותר והם סבילים בטמפרטורות הפעלה והדבקה גבוהות, מה שהופך אותם לעמידים יותר ומתאימים למגוון יישומים.

 

מד לחץ / מתח פנאומטי

 

מדדי מתח / לחץ פנאומטיים מתאימים ללחצים / מתחים סטטיים כמו גם דינאמיים ותפעולם תלוי בשחרור היחסי של האוויר בין הפומית הקבועה לפומית המשתנה. ידוע שהם בעלי דיוק גבוה מאוד ויכולים לזהות אורך מד כדקה כמו 1 מ”מ. מדדי לחץ / מתח פנאומטיים הם בעלי רזולוציית מדידה מדויקת וניתן להגדילם עד 100,000.

 מד מתח / לחץ מבוסס מתמר לחץ

מד המתח / הלחץ המבוסס על מתמר לחץ פועל על בסיס עיקרון ההמרה שהופך את הלחץ לאות חשמלי מדיד. בהתבסס על האפקט הפיזוריסטי, הוא מתייחס ליכולתם של מדדי המתח לשנות את ערך ההתנגדות שלהם ביחס לשינוי הפיזי של החומר הנגרם על ידי לחץ. בשל המגוון והגמישות יוצאת הדופן שלהם, הם מוצאים את היישום שלהם במספר תעשיות ויכולים להתמודד עם היישומים המגוונים והמאתגרים ביותר.

 

מדדים מכניים

 

מדדים מכניים, כמו מדדים אחרים, הם כלים המשמשים למדידת מידות, רמות לחץ. ישנם סוגים רבים ושונים של מדדים מכניים הכוללים קליפרים, מיקרומטרים, מדדי טעות, מדדי פוקר, מדדי נשא, מדדי עומק, מדדי חיוג וכו ‘.

 

שאלות נפוצות

 

מהו אורך מד?

 

אי אפשר למדוד שדות מאמץ לא לינאריים בלי להכניס מידה מסוימת של שגיאה וזאת מכיוון שלא ניתן למדוד מאמץ/לחץ נקודתי עם שום סוג של מד.

במקרים כאלה, השגיאה תלויה באורך המד ורוחב המד. גודל המד עבור מד מתח מכני מחושב לפי המרחק בין שני חודי-הסכין במגע עם הדגימה ועל ידי רוחב חוד הסכין הניתן להזזה.

 

מהי רגישות של מדד?

 

ניתן להגדיר רגישות כערך הקטן ביותר של המאמץ הנקרא בסולם מד המאמץ.

הבחירה במד תלויה מאוד במידת הרגישות הנדרשת, ולעתים קרובות למדי בחירת מד בעל רגישות גבוהה מאוד מגדילה את המורכבות של שיטת המדידה.

 

מה הטווח מבחינת מד המתח?

 

המאפיין הבא של מד המתח הוא הטווח שלו. הטווח מייצג את המתח המקסימלי שניתן לתעד מבלי לאפס או להחליף את מדדי המתח.

כמו כן, הטווח והרגישות קשורים זה בזה מכיוון שמד רגיש מאוד מגיב למאמצים קטנים עם הסטות של המחוון, והטווח בדרך כלל מוגבל לסטייה בקנה המידה המלא של המחוון.

 

מה הוא דיוק מבחינת מד המתח?

 

במד מתח מכני, אי דיוקים יכולים לנבוע מתנועה שאבדה כמו הרכבת הילוכים לאחור, חיכוך, שינויי טמפרטורה ובלאי במנגנון, החלקה או כיפוף או הסטה של הרכיבים.

 

האם ניתן להשתמש במדי המאמץ בשימוש חוזר?

 

היתרונות העיקריים של מדי מתח מכניים הם הקלות שבה ניתן להשתמש בהם, עלותם הנמוכה יחסית והעובדה שהם ניתנים לשימוש חוזר. מדי מאמץ של התנגדות חשמלית מתגברים על מרבית החסרונות של מדים מכניים.

 

מדוע משתמשים בגשר Wheatstone במדידת מאמץ?

 

לא תמיד יש צורך להשתמש במעגל גשר Wheatstone כדי למדוד התנגדות חשמלית. היתרון העיקרי במעגל אוהם עם ארבעה חוטים הוא שחוטי ההובלה אינם משפיעים על הערכים מכיוון שהמתח מתגלה ישירות על פני אלמנט מד המתח.

 

מה זה לחץ?

 

זהו מדד ללחץ פנימי על עצם בכל פעם שכוח חיצוני פועל עליו. ככל שהכוח גדול יותר או האזור עליו הוא פועל קטן יותר, כך הסיכוי שהחומר הולך להתעוות.

הלחץ הוא יחידה פחות כמותית מכיוון שלערכים במונה ובמכנה יש תמיד את אותן היחידות.

S = Δx / X

כאשר

S = לחץ (יחידה פחות)

Δx = שינוי בממדים (m עבור מתח / מאמץ אורכי או בגזירה, m3 למתח / לחץ נפחי)

X = ממד מקורי (m ‘למתח / מאמץ אורכי או בגזירה, m3 למתח נפחי)

 

מהו מתח?

 

כמות העיוות המתרחשת באובייקט מכונה מתח. המתח מוגדר כשינוי אורך שהכוח מייצר ומחולק באורך המקורי של החומר.

מתח מצוין על ידי σ. הוא מיוצג כ- N/m2.

נוסחת הלחץ מנוסחת כ-

σ = F / A

כאשר

F = כוח מופעל

A = האזור שעליו פועל הכוח

כל זה קשור לסוגי מד המתח, מפרטים, עקרון עבודה ויישומים. אם יש לך שאלות נוספות, יידע אותנו בתגובות שלהלן.