Siloměr - Load cell

Siloměr je síla převodník . Převádí sílu, jako je napětí, stlačení, tlak nebo točivý moment, na elektrický signál, který lze měřit a standardizovat. Jak se síla působící na siloměr zvyšuje, elektrický signál se proporcionálně mění. Nejběžnějšími typy siloměrů jsou tenzometry, pneumatické a hydraulické.

Snímač siloměru

Snímače tenzometru se nejčastěji vyskytují v průmyslových podmínkách. Je ideální, protože je vysoce přesný, univerzální a nákladově efektivní. Konstrukčně má siloměr kovové tělo, ke kterému byly připevněny tenzometry. Tělo je obvykle vyrobeno z hliníku, legované oceli nebo nerezové oceli, díky čemuž je velmi robustní, ale také minimálně elastické. Tato pružnost dává vzniknout pojmu „pružinový prvek“, který se vztahuje k tělu siloměru. Při působení síly na siloměr se pružinový prvek mírně deformuje a pokud není přetížen, vždy se vrátí do původního tvaru. Při deformaci pružinového prvku mění tenzometry také tvar. Výslednou změnu odporu v tenzometrech lze měřit jako napětí. Změna napětí je úměrná velikosti síly působící na článek, takže velikost síly lze vypočítat z výstupu snímače zatížení.

Tenzometry

Tenzometr je vyroben z velmi jemného drátu nebo fólie, sestavený v mřížkovém vzoru a připevněný k pružné podložce. Když se změní tvar tenzometru, dojde ke změně jeho elektrického odporu. Drát nebo fólie v tenzometru je uspořádána tak, že při působení síly v jednom směru dochází k lineární změně odporu. Tahová síla natahuje tenzometr, což způsobuje, že je tenčí a delší, což má za následek zvýšení odporu. Kompresní síla dělá opak. Tenzometr se stlačuje, zesiluje a zkracuje a odpor klesá. Tenzometr je připevněn k pružné podložce, která umožňuje snadné použití na siloměr, což odráží měřené drobné změny.

Protože změna odporu měřená jediným tenzometrem je extrémně malá, je obtížné změny přesně měřit. Zvýšení počtu kolektivně použitých tenzometrů tyto malé změny zvětší na něco měřitelnějšího. Sada 4 tenzometrů nastavených v konkrétním obvodu je aplikací Wheatstoneova můstku .

Wheatstone Bridge

Wheatstoneův můstek je konfigurace čtyř rovnováze odporů se známou budicí napětím, jak je uvedeno níže:

Budicí napětí je známá konstanta a výstupní napětí je proměnné v závislosti na tvaru tenzometrů. Jsou-li dáno všechny odpory, což znamená, pak je nulová. Pokud se změní odpor i v jednom z odporů, změní se také. Změnu v lze měřit a interpretovat pomocí Ohmova zákona. Ohmův zákon uvádí, že proud ( měřený v ampérech) procházející vodičem mezi dvěma body je přímo úměrný napětí napříč dvěma body. Odpor ( měřený v ohmech) je v tomto vztahu zaveden jako konstanta, nezávislá na proudu. Ohmův zákon je vyjádřen v rovnici . ${\ displaystyle V _ {\ text {EX}}}$${\ textstyle V_ {o}}$${\ displaystyle {\ frac {R1} {R2}} = {\ frac {R4} {R3}}}$${\ textstyle V_ {o}}$${\ displaystyle V_ {0}}$${\ textstyle V_ {o}}$${\ textstyle I}$${\ textstyle V}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle I = V/R}$

Při aplikaci na 4 nohy obvodu Wheatstoneova mostu je výsledná rovnice:

${\ Displaystyle V_ {o} = \ left ({\ frac {R3} {R3+R4}}-{\ frac {R2} {R1+R2}} \ right) V _ {\ text {EX}}}$

V siloměru jsou odpory nahrazeny tenzometry a uspořádány ve střídavé tvorbě napětí a komprese. Když na siloměr působí síla, změní se struktura a odpor tenzometrů, které se měří. Z výsledných dat lze snadno určit pomocí výše uvedené rovnice. ${\ textstyle V_ {o}}$${\ textstyle V_ {o}}$

Běžné typy siloměrů

Existuje několik typů tenzometrických siloměrů:

• Jednobodové snímače zatížení; používá se v malých až středních plošinových stupnicích s rozměry plošin 200x200mm až 1200x1200 mm.
• Snímače zatížení Planar Beam; používá se v nízkoprofilových řešeních, kde je omezený prostor, jako jsou lékařské váhy a maloobchodní váhy.
• Snímače zatížení ohýbacího paprsku; používá se v paletových, plošinových a malých násypkách.
• Snímače zatížení smykovým paprskem; používá se v nízkoprofilovém měřítku a procesních aplikacích, k dispozici v kapacitách od 100 kg do 50 t!
• Snímače zatížení Dual Shear Beam; používá se v automobilových vahách, aplikacích pro nádrže a násypky.
• Snímače zatížení typu S; používá se v napínacích aplikacích, kde najdete statická a dynamická zatížení.
• Kompresní siloměry; používá se v nákladních automobilech, velkých plošinových váhach, vahách a vahách.
• Snímače zatížení kroužením kroužku; používá se ve vysoce přesných násypkách, silech, plošinách a paletových vahách.
• Snímače zatížení paprskového typu; používá se v nízkoprofilových, vysoce přesných aplikacích. Vysoké síly od 1 do 500 tun.
• Palubní snímače zatížení; používá se pro palubní vážicí systémy nákladních vozidel, traktorů a jiných vozidel.
• Zatížení; používá se v aplikacích pro měření dynamických, statických nebo zdvihacích sil.
• Váhy; přenosné váhy pro vážení automobilů a měření těžiště letadel.
• Speciály; všechny druhy speciálních senzorů.

Pneumatický siloměr

Zátěžový článek je navržen tak, aby automaticky reguloval vyrovnávací tlak. Na jeden konec membrány působí tlak vzduchu, který uniká tryskou umístěnou ve spodní části siloměru. K siloměru je připojen tlakoměr pro měření tlaku uvnitř článku. Vychýlení membrány ovlivňuje proudění vzduchu tryskou a tlak uvnitř komory.

Hydraulický siloměr

Hydraulický siloměr používá konvenční uspořádání pístu a válce s pístem umístěným v tenké elastické membráně. Píst ve skutečnosti nepřichází do styku se siloměrem. Mechanické zarážky jsou umístěny tak, aby se zabránilo přetížení membrány, když zatížení překročí určitou mez. Snímač zatížení je zcela naplněn olejem. Když na píst působí zatížení, pohyb pístu a membrány má za následek zvýšení tlaku oleje. Tento tlak je pak vysokotlakou hadicí přenášen na hydraulický tlakoměr. Bourdonova trubice měřidla snímá tlak a registruje jej na číselníku. Protože tento senzor neobsahuje žádné elektrické součásti, je ideální pro použití v nebezpečných oblastech. Mezi typické aplikace hydraulických siloměrů patří vážení nádrží, zásobníků a násypek. Například hydraulický snímač zatížení je imunní vůči přechodnému napětí (blesk), takže tyto typy snímačů zatížení mohou být účinnějším zařízením ve venkovním prostředí. Tato technologie je dražší než jiné typy siloměrů. Jedná se o nákladnější technologii, a proto nemůže účinně soutěžit na základě nákladů na nákup.

Jiné typy

Vibrační siloměr

Snímače vibračního drátu , které jsou užitečné v geomechanických aplikacích kvůli nízkému množství driftu , a kapacitní snímače zatížení, kde se kapacita kondenzátoru mění, když zatížení přitlačí dvě desky kondenzátoru blíže k sobě.

Piezoelektrický siloměr

Piezoelektrické snímače zatížení pracují na stejném principu deformace jako snímače tenzometru, ale výstupní napětí je generováno základním piezoelektrickým materiálem - úměrně deformaci snímače zatížení. Užitečné pro dynamická/častá měření síly. Většina aplikací pro piezoelektrické snímače je v podmínkách dynamického zatížení, kde snímače tenzometru mohou selhat s vysokými dynamickými cykly načítání. Piezoelektrický efekt je dynamický, to znamená, že elektrický výkon měřidla je impulzní funkcí a není statický. Napěťový výstup je užitečný pouze tehdy, když se mění napětí a neměří statické hodnoty.

V závislosti na použitém klimatizačním systému však lze provést "kvazistatickou" operaci. Použití nabíjecího zesilovače s dlouhou časovou konstantou umožňuje přesné měření trvající mnoho minut pro malé zátěže až mnoho hodin pro velké zátěže. Další výhodou piezoelektrických siloměrů vybavených zesilovačem náboje je široký dosah měření, kterého lze dosáhnout. Uživatelé si mohou vybrat siloměr s rozsahem stovek kilonewtonů a použít jej k měření několika newtonů síly se stejným poměrem signálu k šumu; opět je to možné pouze s použitím zesilovače náboje pro úpravu.

Běžné problémy

• Mechanická montáž: články musí být řádně namontovány. Veškerá zatěžovací síla musí projít částí siloměru, kde je snímána její deformace. Tření může vyvolat posun nebo hysterezi . Špatná montáž může mít za následek síly hlášení článků podél nežádoucí osy, které stále mohou do určité míry korelovat se snímaným zatížením, což matoucí technika.
• Přetížení: V rámci svého hodnocení se siloměr elasticky deformuje a po vyložení se vrací do svého tvaru. Pokud je materiál siloměru vystaven zatížení nad jeho maximální jmenovitou hodnotu, může se plasticky deformovat ; to může mít za následek posun signálu, ztrátu linearity, potíže s nemožností kalibrace nebo dokonce mechanické poškození snímacího prvku (např. delaminace, prasknutí).
• Problémy s kabeláží: vodiče k článku mohou vyvinout vysoký odpor, např. V důsledku koroze. Alternativně mohou být paralelní proudové cesty vytvořeny vniknutím vlhkosti. V obou případech se signál vyvíjí offset (pokud nejsou všechny vodiče ovlivněny stejně) a přesnost je ztracena.
• Elektrické poškození: siloměry mohou být poškozeny indukovaným nebo vedeným proudem. Úder blesku do konstrukce nebo obloukové svařování prováděné v blízkosti článků může přetížit jemné odpory tenzometrů a způsobit jejich poškození nebo zničení. Při svařování v blízkosti se doporučuje odpojit siloměr a zkratovat všechny jeho kolíky na zem, poblíž samotného článku. Vysoké napětí může prorazit izolaci mezi podkladem a tenzometry.
• Nelineárnost : na dolním konci stupnice jsou siloměry obvykle nelineární. To se stává důležitým pro buňky snímající velmi velké rozsahy nebo s velkým přebytkem nosnosti, aby vydržely dočasné přetížení nebo otřesy (např. Lanové svorky). Pro kalibrační křivku může být zapotřebí více bodů.
• Zvláštnost aplikace: Snímač zatížení, který není vhodný pro konkrétní velikost a typ tlaku, bude mít špatnou přesnost, rozlišení a spolehlivost.

Vzrušení a jmenovitý výkon

Most je buzen stabilizovaným napětím (obvykle 10 V, ale u přístrojů napájených z baterie může být 20 V, 5 V nebo méně). Na výstupech signálu se pak objeví rozdílové napětí úměrné zátěži. Výkon článku je udáván v milivoltech na volt (mV/V) rozdílového napětí při plném jmenovitém mechanickém zatížení. Zátěžový článek 2,96 mV/V poskytne při excitaci 10 voltů signál 29,6 milivoltů při plném zatížení.

Typické hodnoty citlivosti jsou 1 až 3 mV/V. Typické maximální budicí napětí je kolem 15 voltů.

Elektrické vedení

Buňky plného můstku se obvykle dodávají ve čtyřvodičové konfiguraci. Dráty k hornímu a dolnímu konci můstku jsou buzení (často označené E+ a E−, nebo Ex+ a Ex−), vodiče k jeho stranám jsou signál (označeny S+ a S−). V ideálním případě je rozdíl napětí mezi S+ a S− při nulovém zatížení nulový a roste úměrně mechanickému zatížení siloměru.

Někdy se používá konfigurace se šesti vodiči. Dva další vodiče jsou „sense“ (Sen+ a Sen−) a jsou připojeny k můstku pomocí vodičů Ex+ a Ex-, způsobem podobným snímání se čtyřmi svorkami . Pomocí těchto dodatečných signálů může regulátor kompenzovat změnu odporu drátu vlivem vnějších faktorů, např. Kolísání teploty.

Jednotlivé odpory na můstku mají obvykle odpor 350 Ω . Někdy lze narazit na jiné hodnoty (typicky 120 Ω, 1 000 Ω).

Most je typicky elektricky izolován od podkladu. Snímací prvky jsou v těsné blízkosti a v dobrém vzájemném tepelném kontaktu, aby se zabránilo rozdílovým signálům způsobeným teplotními rozdíly.

Použití více buněk

Pro snímání jednoho zatížení lze použít jeden nebo více siloměrů.

Pokud lze sílu soustředit do jednoho bodu (snímání v malém měřítku, lana, tahová zatížení, bodová zatížení), lze použít jednu buňku. U dlouhých paprsků se používají dva články na konci. Svislé válce lze měřit ve třech bodech, obdélníkové objekty obvykle vyžadují čtyři senzory. Více senzorů se používá pro velké kontejnery nebo plošiny nebo velmi vysoké náklady.

Pokud je zaručeno, že zatížení jsou symetrická, mohou být některé siloměry nahrazeny čepy. To šetří náklady na siloměr, ale může výrazně snížit přesnost.

Snímače zatížení lze připojit paralelně; v takovém případě jsou všechny odpovídající signály spojeny dohromady (Ex+ až Ex+, S+ až S+, ...) a výsledný signál je průměrem signálů ze všech snímacích prvků. To se často používá např. V osobních váhach nebo jiných vícebodových hmotnostních čidlech.

Nejběžnější přiřazení barev je červená pro Ex+, černá pro Ex−, zelená pro S+a bílá pro S−.

Méně obvyklá přiřazení jsou červená pro Ex+, bílá pro Ex−, zelená pro S+a modrá pro S− nebo červená pro Ex+, modrá pro Ex−, zelená pro S+a žlutá pro S−. Jsou možné i jiné hodnoty, např. Červená pro Ex+, zelená pro Ex−, žlutá pro S+ a modrá pro S−.

Zvonění

Každý snímač zatížení podléhá „vyzvánění“, když je vystaven náhlým změnám zatížení. Vyplývá to z pružinového chování siloměrů. Aby bylo možné měřit zatížení, musí se deformovat. Zatěžovací buňka konečné tuhosti jako taková musí mít chování podobné pružinám a vykazovat vibrace na své vlastní frekvenci . Oscilační datový vzor může být výsledkem vyzvánění. Vyzvánění lze omezeně omezit pasivními prostředky. Alternativně může řídicí systém použít akční člen k aktivnímu tlumení vyzvánění snímače zatížení. Tato metoda nabízí lepší výkon za cenu výrazného zvýšení složitosti.

Využití

Snímače zatížení se používají v několika typech měřicích přístrojů, jako jsou laboratorní váhy, průmyslové váhy, plošinové váhy a univerzální testovací stroje . Od roku 1993 instaloval British Antarctic Survey siloměry do hnízd ze skleněných vláken k vážení kuřat albatrosů . Snímače zatížení se používají v celé řadě položek, jako je třepačka se sedmi sloupky, která se často používá k sestavování závodních vozů.

Výkony vážení siloměrů

Snímače zatížení se běžně používají k měření hmotnosti v průmyslovém prostředí. Mohou být instalovány na násypky, reaktory atd., Aby se regulovala jejich hmotnostní kapacita, což má často zásadní význam pro průmyslový proces. Musí být definovány a specifikovány některé výkonové charakteristiky siloměrů, aby se zajistilo, že budou vyhovovat očekávané službě. Mezi tyto konstrukční vlastnosti patří:

• Kombinovaná chyba
• Minimální interval ověření
• Řešení

Specifikace siloměru

Elektrické, fyzické a environmentální specifikace snímače zatížení pomáhají určit, pro které aplikace je vhodný. Mezi běžné specifikace patří:

• Full Scale Output (FSO): Elektronický výstup vyjádřený v mV/V. Měřeno v plném měřítku.
• Kombinovaná chyba: procento plného výkonu stupnice, které představuje maximální odchylku od přímky nakreslené mezi žádným zatížením a zatížením při jmenovité kapacitě. Často se měří při snižování a zvyšování zatížení.
• Nelinearita: Maximální odchylka kalibrační křivky od přímky nakreslené mezi jmenovitou kapacitou a nulovým zatížením. Měřeno při zvyšujícím se zatížení a vyjádřeno v procentech celkového výkonu stupnice.
• Hystereze: Maximální rozdíl mezi výstupními signály siloměru pro stejné aplikované zatížení. První měření lze dosáhnout snížením zátěže od jmenovitého výkonu a druhé zvýšením zátěže od nuly.
• Opakovatelnost: Maximální rozdíl mezi výstupními měřeními pro opakovaná zatížení za stejných podmínek. Měřeno v procentech jmenovitého výkonu.
• Nulové vyvážení (offset): Výstupní čtení siloměru s jmenovitým buzením bez zatížení. Odchylka ve výstupu mezi měřením skutečné nuly a skutečným snímačem zatížení při nulovém zatížení vyjádřená v procentech plného výkonu stupnice.
• Kompenzovaný teplotní rozsah: Teplotní rozsah, ve kterém je siloměr kompenzován, aby mohl zajistit nulové vyvážení a jmenovitý výkon v rámci stanovených mezí. Vyjádřeno jako ° F nebo ° C.
• Rozsah provozních teplot: Extrémní teplotní rozsah, ve kterém může siloměr pracovat bez trvalých nepříznivých účinků na jakoukoli jeho výkonnostní charakteristiku. Vyjádřeno jako ° F nebo ° C.
• Vliv teploty na výstup: Úprava výstupních hodnot způsobená teplotou snímače zatížení. Vyjádřeno jako procento plného výkonu stupnice na stupeň ° F nebo ° C.
• Teplotní účinek na nulu: Změna nulové rovnováhy způsobená změnami okolní teploty. Vyjádřeno jako procento plného výkonu stupnice na stupeň ° F nebo ° C.
• Vstupní odpor: Vstupní odpor můstkového obvodu snímače zatížení. Měřeno na kladných a záporných budicích vodičích bez zatížení. Měřeno v ohmech.
• Výstupní odpor: Výstupní odpor můstkového obvodu snímače zatížení. Měřeno na kladných a záporných budicích vodičích bez zatížení. Měřeno v ohmech.
• Izolační odpor: Odpor měřený podél cest mezi: můstkovým obvodem a prvkem snímače, můstkovým obvodem a stíněním kabelu a prvkem snímače a stíněním kabelu. Obvykle se měří při padesáti voltech za standardních testovacích podmínek.
• Doporučené buzení: Maximální doporučené budicí napětí snímače, aby fungovalo v rámci jeho specifikací. Vyjádřeno ve VDC.
• Délka kabelu: Délka standardního kabelu, pro který je siloměr kalibrován. Délka kabelu ovlivňuje způsob kalibrace siloměru.
• Bezpečné přetížení: Maximální zatížení, které lze aplikovat na snímač zatížení, aniž by to mělo trvalé důsledky na jeho výkonnostní specifikace. Měřeno jako procento plného výkonu.
• Konečné přetížení: Maximální zatížení, které lze odolat, aniž by došlo k selhání konstrukce.
• Materiál: Látka, která obsahuje pružinový prvek siloměru.

Kalibrace siloměru

Snímače zatížení jsou nedílnou součástí většiny vážicích systémů v průmyslovém, leteckém a automobilovém průmyslu, které jsou zárukou důsledného každodenního používání. V průběhu času se snímače zatížení posunou, stárnou a nevyrovnají se; proto budou muset být pravidelně kalibrovány, aby byly zajištěny přesné výsledky. ISO9000 a většina ostatních norem určují maximální dobu přibližně 18 měsíců až 2 roky mezi postupy rekalibrace v závislosti na úrovni poškození snímače zatížení. Mnoho uživatelů siloměrů považuje každoroční rekalibraci za nejlepší postup pro zajištění nejpřesnějších měření.

Standardní kalibrační testy použijí linearitu a opakovatelnost jako vodítko pro kalibraci, protože tyto jsou použity ke stanovení přesnosti. Kalibrace se provádí postupně, přičemž začíná pracovat ve vzestupném nebo sestupném pořadí. Například v případě 60tunového siloměru lze použít specifické zkušební závaží, které měří v přírůstcích 5, 10, 20, 40 a 60 tun; pětistupňový kalibrační proces je obvykle dostačující pro zajištění přesné kalibrace zařízení. Pro konzistentní výsledky se doporučuje opakovat tento pětistupňový postup kalibrace 2–3krát.

Viz také

• Jarní měřítko
• Stretch senzor

Reference

Standardy

• ASTM E4 - Postupy pro silové ověřování zkušebních strojů
• ASTM E74 - praxe pro kalibraci silových měřicích přístrojů pro ověření indikace síly zkušebních strojů
• NTEP - Národní konference o hmotnostech a opatřeních (Osvědčení o shodě)