Cella betöltése - Load cell

A  terhelésmérő egy erőátalakító . Olyan erőt alakít át , mint a feszültség, a kompresszió, a nyomás vagy a forgatónyomaték elektromos jellé, amely mérhető és szabványosítható. A mérőcellára kifejtett erő növekedésével az elektromos jel arányosan változik. A leggyakrabban használt mérőcellák a nyúlásmérők, pneumatikusak és hidraulikusak.

Nyúlásmérő terhelésmérő

A nyúlásmérő tehercellák az ipari környezetben leggyakrabban előforduló típusok. Ideális, mivel rendkívül pontos, sokoldalú és költséghatékony. Szerkezetileg a mérőcellának van egy fém teste, amelyhez a feszültségmérőket rögzítették. A karosszéria általában alumíniumból, ötvözött acélból vagy rozsdamentes acélból készül, így nagyon erős, de minimálisan rugalmas is. Ez a rugalmasság eredményezi a "rugóelem" kifejezést, amely a mérőcella testére vonatkozik. Amikor erőt gyakorol a mérőcellára, a rugóelem kissé deformálódik, és ha nincs túlterhelve, mindig visszatér eredeti alakjához. A rugóelem deformálódásával a nyúlásmérők alakja is megváltozik. A feszültségmérőkben az ellenállás változása feszültségként mérhető. A feszültségváltozás arányos a cellára kifejtett erő nagyságával, így az erő mértéke kiszámítható a mérőcella kimenetéből.

Nyúlásmérők

A nyúlásmérő nagyon finom huzalból vagy fóliából készült, rácsos mintában felállítva és rugalmas hátlaphoz rögzítve. A feszültségmérő alakjának megváltoztatásakor megváltozik az elektromos ellenállása. A huzal vagy fólia a nyúlásmérőben úgy van elrendezve, hogy ha egy irányba erő hat, az ellenállás lineáris változást eredményez. A feszítőerő megnyújtja a feszültségmérőt, ami vékonyabbá és hosszabbá válik, ami növeli az ellenállást. A nyomóerő az ellenkezőjét teszi. A feszültségmérő összenyomódik, vastagabb és rövidebb lesz, és az ellenállás csökken. A nyúlásmérő rugalmas hátlaphoz van rögzítve, amely lehetővé teszi, hogy könnyen fel lehessen helyezni a mérőcellára, tükrözve a mérendő percváltozásokat.

Mivel az egyetlen nyúlásmérővel mért ellenállásváltozás rendkívül kicsi, nehéz pontosan mérni a változásokat. A közösen alkalmazott nyúlásmérők számának növelése ezeket a kis változásokat mérhetőbbé teszi. Egy adott áramkörben beállított 4 nyúlásmérő készlet egy Wheatstone -híd alkalmazása .

Wheatstone híd

A Wheatstone -híd négy kiegyensúlyozott ellenállás konfigurációja, ismert gerjesztési feszültséggel az alábbiak szerint:

A gerjesztési feszültség ismert állandó, és a kimeneti feszültség a nyúlásmérők alakjától függően változtatható. Ha minden ellenállás kiegyensúlyozott, akkor ez nulla. Ha az egyik ellenállás ellenállása megváltozik, akkor ugyanúgy változik. A változás Ohm törvénye alapján mérhető és értelmezhető. Ohm törvénye kimondja, hogy az áram ( amperben mérve), amely két pont között vezetőn halad, egyenesen arányos a két pont feszültségével . Az ellenállást ( ohmban mérve) ebben az összefüggésben állandóként vezetik be, függetlenül az áramtól. Ohm törvényét az egyenlet fejezi ki . ${\ displaystyle V _ {\ text {EX}}}$${\ texttyle V_ {o}}$${\ displaystyle {\ frac {R1} {R2}} = {\ frac {R4} {R3}}}$${\ texttyle V_ {o}}$${\ displaystyle V_ {0}}$${\ texttyle V_ {o}}$${\ texttyle I}$${\ texttyle V}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle I = V/R}$

Amikor a Wheatstone -híd áramkörének négy lábára alkalmazzuk, a kapott egyenlet a következő:

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

A terhelésmérő cellában az ellenállásokat nyúlásmérőkkel helyettesítik, és váltakozó feszültség- és kompresszióképzésben vannak elrendezve. Ha erőt fejtünk ki a mérőcellára, a nyúlásmérők szerkezete és ellenállása megváltozik, és megmérik. A kapott adatokból könnyen meghatározható a fenti egyenlet segítségével. ${\ texttyle V_ {o}}$${\ texttyle V_ {o}}$

A terhelésmérő cellák gyakori típusai

A feszültségmérő terhelésmérő celláknak több típusa létezik:

• Egypontos terhelési cellák; kicsi és közepes emelvényekhez használható, 200x200 mm és 1200x1200 mm között.
• Planar Beam terhelési cellák; alacsony profilú megoldásokban, ahol korlátozott a hely, például orvosi mérlegek és kiskereskedelmi mérlegek.
• Hajlítógerendás terhelésmérő cellák; raklapon, platformon és kis garatmérlegben használják.
• Nyírógerendás terhelésmérő cellák; alacsony profilú mérleg- és folyamatalkalmazásokban használható, 100 kg -tól 50 t -ig kapható!
• Dual Shear Beam terhelésmérő cellák; teherautó mérlegekben, tartályokban és garatos alkalmazásokban használják.
• S típusú terhelési cellák; feszítő alkalmazásokban használják, ahol statikus és dinamikus terheléseket talál.
• Kompressziós terhelési cellák; teherautómérlegben, nagy emelvénymérlegben, mérlegben és garatmérlegben használják.
• Gyűrűs torziós terhelésmérő cellák; nagy pontosságú garatokban, silókban, platformokon és raklapmérlegekben használják.
• Spoke típusú terhelési cellák; alacsony profilú, nagy pontosságú alkalmazásban használják. Nagy erők 1t-500t között.
• Fedélzeti terhelésmérők; teherautók, traktorok és más járművek fedélzeti mérőrendszereihez használják.
• Terhelőcsapok; dinamikus, statikus vagy emelőerők mérésére szolgáló alkalmazásokban használják.
• Súlymérők; hordozható mérlegek az autók mérésére és a repülőgépek súlypontjának mérésére.
• Különlegességek; mindenféle speciális érzékelő.

Pneumatikus terhelésmérő cella

A terheléscellát úgy tervezték, hogy automatikusan szabályozza a kiegyenlítő nyomást. Légnyomást gyakorolnak a membrán egyik végére, és az a mérőcella alján elhelyezett fúvókán keresztül távozik. A nyomásmérő a mérőcellával van felszerelve a cella belsejében lévő nyomás mérésére. A membrán elhajlása befolyásolja a fúvókán keresztüli légáramlást, valamint a kamrán belüli nyomást.

Hidraulikus terhelésmérő cella

A hidraulikus mérőcella hagyományos dugattyú- és hengeres elrendezést használ, a dugattyút vékony, rugalmas membránba helyezve. A dugattyú valójában nem érintkezik a mérőcellával. Mechanikus ütközőket helyeznek el, hogy megakadályozzák a membrán túlterhelését, ha a terhelések meghaladják a meghatározott határértékeket. A mérőcella teljesen tele van olajjal. Ha a dugattyút terheljük, a dugattyú és a membrán mozgása az olajnyomás növekedését eredményezi. Ezt a nyomást ezután egy nagynyomású tömlőn keresztül továbbítják a hidraulikus nyomásmérőhöz. A mérő Bourdon csöve érzékeli a nyomást, és regisztrálja a tárcsán. Mivel ez az érzékelő nem tartalmaz elektromos alkatrészeket, ideális veszélyes területeken való használatra. A tipikus hidraulikus terhelésmérő alkalmazások közé tartozik a tartály, a tartály és a garat mérése. Például egy hidraulikus terhelésmérő cella immunis az átmeneti feszültségekkel (villámlással) szemben, így az ilyen típusú mérőcellák hatékonyabb eszközök lehetnek kültéri környezetben. Ez a technológia drágább, mint más típusú mérőcellák. Ez egy drágább technológia, és így nem tud hatékonyan versenyezni a beszerzési költségek alapján.

Más típusok

Rezgő mérőcella

Rezgő huzalterhelés -cellák, amelyek hasznosak geomechanikai alkalmazásokban az alacsony sodródás miatt , és kapacitív terheléscellák, ahol a kondenzátor kapacitása megváltozik, amikor a terhelés közelebb nyomja egymáshoz a kondenzátor két lemezét.

Piezoelektromos terhelésmérő cella

A piezoelektromos terhelésmérő cellák ugyanazon a deformációs elven működnek, mint a nyúlásmérő tehercellák, de a kimenő feszültséget az alap piezoelektromos anyag generálja - arányos a mérőcella deformációjával. Hasznos dinamikus/gyakori erőmérésekhez. A piezo-alapú mérőcellák legtöbb alkalmazása dinamikus terhelési körülmények között van, ahol a feszültségmérő terhelési cellák meghibásodhatnak nagy dinamikus terhelési ciklusokkal. A piezoelektromos hatás dinamikus, vagyis a mérőműszer elektromos kimenete impulzusfüggvény, és nem statikus. A kimeneti feszültség csak akkor hasznos, ha a feszültség változik, és nem mér statikus értékeket.

Az alkalmazott kondicionáló rendszertől függően azonban "kvázi statikus" művelet is elvégezhető. A hosszú időállandójú töltéserősítő használata lehetővé teszi a pontos mérést, amely sok percet vesz igénybe kis terheléseknél, és sok órán át nagy terheléseknél. A töltéserősítővel kondicionált piezoelektromos terhelésmérő cellák másik előnye az elérhető széles mérési tartomány. A felhasználók választhatnak egy több száz kilonewton tartományú mérőcellát, és használhatják néhány newton erő mérésére, azonos jel-zaj arány mellett; ez megint csak töltéserősítő használatával lehetséges.

Gyakori problémák

• Mechanikus szerelés: a cellákat megfelelően kell felszerelni. Minden terhelési erőnek át kell mennie a mérőcella azon részén, ahol a deformáció érzékelhető. A súrlódás eltolódást vagy hiszterézist válthat ki . A helytelen szerelés a cella jelentési erőit eredményezheti a nem kívánt tengely mentén, ami még mindig némileg korrelálhat az érzékelt terheléssel, és megzavarhatja a szakembert.
• Túlterhelés: A mérőórán belül a mérőcella rugalmasan deformálódik, és kirakodás után visszatér az alakjához. Ha a maximális névleges értéket meghaladó terhelésnek van kitéve, a mérőcella anyaga plasztikusan deformálódhat ; ez a jel eltolódásához, a linearitás elvesztéséhez, a kalibrálás nehézségéhez vagy lehetetlenségéhez, vagy akár az érzékelőelem mechanikai károsodásához (pl. leválás, szakadás) vezethet.
• Huzalozási problémák: a cella vezetékei nagy ellenállást mutathatnak, pl. Korrózió miatt. Alternatív megoldásként párhuzamos áramvonalak is kialakíthatók a nedvesség behatolásával. Mindkét esetben a jel eltolódik (kivéve, ha az összes vezetéket egyformán érinti), és a pontosság elveszik.
• Elektromos károk: a mérőcellákat károsíthatja az indukált vagy vezetett áram. Villámcsapás a szerkezetbe, vagy ívhegesztés a cellák közelében, túlfeszíthetik a nyúlásmérők finom ellenállásait, és károsodást vagy tönkremenetelt okozhatnak. A közelben történő hegesztéshez javasoljuk, hogy válassza le a mérőcellát, és zárja le az összes csapját a talajhoz, maga a cella közelében. Nagy feszültségek áttörhetik a szigetelést az aljzat és a feszültségmérők között.
• Nemlinearitás : skála alsó végén a terhelési cellák általában nemlineárisak. Ez fontos lesz azoknak a sejteknek, amelyek nagyon nagy tartományokat érzékelnek, vagy nagy terhelhetőséggel rendelkeznek, hogy ellenálljanak az ideiglenes túlterheléseknek vagy ütéseknek (pl. Kötélbilincsek). Több pontra lehet szükség a kalibrációs görbéhez.
• Alkalmazás sajátosságai: Azok a mérőcellák, amelyek nem alkalmasak a nyomás nagyságára és típusára, rossz pontossággal, felbontással és megbízhatósággal rendelkeznek.

Gerjesztés és névleges teljesítmény

A hidat stabilizált feszültséggel gerjesztik (általában 10 V, de lehet 20 V, 5 V vagy kevesebb az akkumulátoros műszereknél). Ekkor a terheléssel arányos feszültségkülönbség megjelenik a jelkimeneteken. A cella kimenetét millivoltban mérik feszültségkülönbség voltonként (mV/V) teljes névleges mechanikai terhelés mellett. Tehát egy 2,96 mV/V -os terhelésmérő teljes terhelés esetén 29,6 millivolt jelet biztosít 10 voltos gerjesztéskor.

A tipikus érzékenységi értékek 1-3 mV/V. A tipikus maximális gerjesztési feszültség körülbelül 15 volt.

Vezeték

A teljes hídú cellák jellemzően négyvezetékes konfigurációban vannak. A híd felső és alsó végéhez tartozó vezetékek a gerjesztés (gyakran E+ és E−, vagy Ex+ és Ex− címkével vannak ellátva), az oldalán lévő vezetékek a jel (S+ és S− jelzésűek). Ideális esetben az S+ és S− feszültségkülönbség nulla terhelés alatt nulla, és arányosan növekszik a mérőcella mechanikai terhelésével.

Néha hatvezetékes konfigurációt használnak. A két további vezeték "sense" (Sen+ és Sen−), és az Ex+ és Ex vezetékekkel van összekötve a híddal, a négycsatlakozásos érzékeléshez hasonló módon . Ezekkel a kiegészítő jelekkel a szabályozó kompenzálni tudja a vezetékes ellenállás változását külső tényezők, például hőmérséklet -ingadozások miatt.

A hídon lévő egyes ellenállások ellenállása általában 350 Ω . Néha más értékekkel is találkozhatunk (jellemzően 120 Ω, 1000 Ω).

A híd jellemzően elektromosan szigetelt a hordozótól. Az érzékelőelemek közel vannak egymáshoz és jó kölcsönös hőkapcsolatban vannak, hogy elkerüljék a hőmérséklet -különbségek okozta differenciális jeleket.

Több cella használata

Egy vagy több mérőcella használható egyetlen terhelés érzékelésére.

Ha az erő egyetlen pontra koncentrálható (kisméretű érzékelés, kötelek, húzóterhelések, pontterhelések), akkor egyetlen cella használható. Hosszú gerendáknál a végén két cellát használnak. A függőleges hengerek három ponton mérhetők, a téglalap alakú tárgyakhoz általában négy érzékelő szükséges. Több érzékelőt használnak nagy konténerekhez vagy platformokhoz, vagy nagyon nagy terhelésekhez.

Ha a terhelések garantáltan szimmetrikusak, akkor a terhelési cellák egy része csuklóval helyettesíthető. Ez megtakarítja a mérőcella költségeit, de jelentősen csökkentheti a pontosságot.

A terhelési cellák párhuzamosan csatlakoztathatók; ebben az esetben az összes megfelelő jel össze van kötve (Ex+ - Ex+, S+ - S+, ...), és a kapott jel az összes érzékelő elem jeleinek átlaga. Ezt gyakran használják pl. Személyes mérlegekben vagy más többpontos súlyérzékelőkben.

A leggyakoribb színkiosztás a piros az Ex+, az fekete az Ex−, a zöld az S+és a fehér az S− esetében.

Kevésbé gyakori hozzárendelés: piros az Ex+, fehér az Ex−, a zöld az S+és a kék az S−, vagy a piros az Ex+, a kék az Ex−, a zöld az S+és a sárga az S− esetében. Más értékek is lehetségesek, pl. Piros az Ex+, zöld az Ex−, sárga az S+ és a kék az S− esetén.

Csengetés

Hirtelen terhelésváltozás esetén minden mérőcella "csengetésnek" van kitéve. Ez a terhelési cellák rugószerű viselkedéséből adódik. A terhelések méréséhez deformálódniuk kell. Mint ilyen, a véges merevségű mérőcellának rugószerű viselkedéssel kell rendelkeznie, és természetes frekvenciáján rezgéseket kell kifejtenie . Az oszcilláló adatminta a csengetés eredménye lehet. A csengetést korlátozott módon el lehet nyomni passzív eszközökkel. Alternatív megoldásként a vezérlőrendszer működtető szerkezetet használhat a terhelésmérő cella gyűrűjének aktív csillapítására. Ez a módszer jobb teljesítményt nyújt a komplexitás jelentős növelésének árán.

Felhasználások

A mérőcellákat többféle mérőműszerben használják, például laboratóriumi mérlegekben, ipari mérlegekben, platformmérlegekben és univerzális vizsgálógépekben . 1993 -tól a brit Antarktiszi Felmérés mérőcellákat telepített üvegszálas fészkekbe az albatrosz csibék mérésére . A terhelési cellákat sokféle termékben használják, például a hétoszlopos rázógépben, amelyet gyakran használnak versenyautók felállításához.

Terhelési cellák teljesítménymérés

A mérőcellákat általában ipari környezetben használják a súly mérésére. Telepíthetők garatra, reaktorra stb., Hogy ellenőrizzék súlyukat, ami gyakran kritikus fontosságú egy ipari folyamat szempontjából. A mérőcellák bizonyos teljesítményjellemzőit meg kell határozni és meg kell határozni, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy megfelelnek a várt szolgáltatásnak. A tervezési jellemzők között szerepel:

• Kombinált hiba
• Minimális ellenőrzési időköz
• Felbontás

Töltse be a cella specifikációit

A mérőcellák elektromos, fizikai és környezeti előírásai segítenek meghatározni, hogy mely alkalmazásokra alkalmas. A gyakori specifikációk a következők:

• Teljes skála kimenet (FSO): Elektronikus kimenet mV/V -ban kifejezve. Teljes skálán mérve.
• Kombinált hiba: a teljes skála kimenetének százaléka, amely a terhelés és a névleges kapacitás között húzott egyenestől való maximális eltérést jelenti. Gyakran csökkenő és növekvő terhelések során mérik.
• Nemlinearitás: A kalibrációs görbe maximális eltérése a névleges kapacitás és a nulla terhelés között húzott egyenestől. Növekvő terhelésen mérve és a teljes skála kimenetének százalékában kifejezve.
• Hiszterézis: Maximális különbség a terhelési cella kimeneti jelei között azonos terhelés esetén. Az első mérés úgy érhető el, hogy csökkenti a terhelést a névleges kimenetről, a másodikat pedig a terhelés nulláról történő növelésével.
• Megismételhetőség: Maximális különbség a kimeneti mérések között ismételt terhelések esetén azonos körülmények között. A névleges teljesítmény százalékában mérve.
• Zéró egyensúly (eltolás): A mérőcella kimeneti leolvasása névleges gerjesztéssel terhelés nélkül. A valódi nulla mérés és a nulla terhelés alatti valós terheléscella közötti kimeneti eltérés a teljes skála kimenetének százalékában kifejezve.
• Kompenzált mérsékelt hőmérséklet tartomány: Az a hőmérsékleti tartomány, amelyen keresztül a terhelési célt kompenzálják, hogy biztosítsa a zérus egyensúlyt és a névleges teljesítményt a meghatározott határokon belül. ° F vagy ° C -ban kifejezve.
• Üzemi hőmérséklet tartomány: olyan szélsőséges hőmérsékleti tartományok, amelyekben a mérőcellák tartós, káros hatások nélkül működhetnek bármely teljesítményjellemzőre. ° F vagy ° C -ban kifejezve.
• Hőmérséklet hatása a kimenetre: A kimeneti értékek módosítása a mérőcella hőmérséklete miatt. A teljes skála kimenetének százalékában kifejezve ° F vagy ° C fokonként.
• Hőmérséklethatás a nullára: A nulla mérleg változása a környezeti hőmérséklet változásai miatt. A teljes skála kimenetének százalékában kifejezve ° F vagy ° C fokonként.
• Bemeneti ellenállás: A mérőcella híd áramkörének bemeneti ellenállása. A pozitív és negatív gerjesztési vezetékeknél mérve, terhelés nélkül. Ohmban mérve.
• Kimeneti ellenállás: A mérőcella híd áramkörének kimeneti ellenállása. A pozitív és negatív gerjesztési vezetékeknél mérve, terhelés nélkül. Ohmban mérve.
• Szigetelési ellenállás: Az ellenállás a hídáramkör és a jelátalakító elem, a hídáramkör és a kábelárnyék, valamint a jelátalakító elem és a kábelárnyék között. Általában ötven volton mérik szabványos vizsgálati körülmények között.
• Ajánlott gerjesztés: Az átalakító maximális ajánlott gerjesztési feszültsége ahhoz, hogy az előírásoknak megfelelően működjön. VDC -ben kifejezve.
• Kábelhossz: A szabványos kábel hossza, amelyhez a mérőcellát kalibrálják. A kábelhossz befolyásolja a mérőcella kalibrálását.
• Biztonságos túlterhelés: A maximális terhelés, amelyet a mérőcellára lehet alkalmazni anélkül, hogy az állandó hatást gyakorolna a teljesítmény specifikációira. A teljes skála kibocsátásának százalékában mérve.
• Végső túlterhelés: maximális terhelés, amely elviselhető szerkezeti meghibásodás nélkül.
• Anyag: Az anyag, amely a mérőcella rugóelemét tartalmazza.

Terhelési cella kalibrálása

A mérőcellák a legtöbb mérési rendszer szerves részét képezik az ipari, repülőgép- és autóiparban, és szigorú napi használatot bírnak. Idővel a terhelési cellák sodródni fognak, elöregednek és eltérnek; ezért rendszeresen kalibrálni kell őket a pontos eredmények megőrzése érdekében. Az ISO9000 és a legtöbb más szabvány a mérőcellák romlásának mértékétől függően legfeljebb 18 hónap és 2 év közötti időszakot ír elő az újrakalibrálási eljárások között. Sok éves mérőcellás felhasználó a legjobb gyakorlatnak tartja az éves újrakalibrálást a legpontosabb mérések biztosítása érdekében.

A standard kalibrációs tesztek a linearitást és az ismételhetőséget használják kalibrálási iránymutatásként, mivel mindkettőt használják a pontosság meghatározására. A kalibrálás növekvő vagy csökkenő sorrendben, fokozatosan kezdődik. Például egy 60 tonnás terhelésmérő cella esetében speciális vizsgálati súlyokat lehet használni, amelyek 5, 10, 20, 40 és 60 tonna lépésekben mérhetők; egy ötlépéses kalibrálási folyamat általában elegendő az eszköz pontos kalibrálásának biztosításához. Az ötlépéses kalibrálási eljárás 2-3-szoros megismétlése ajánlott a következetes eredmények érdekében.

Lásd még

• Tavaszi mérleg
• Nyúlásérzékelő

Hivatkozások

Szabványok

• ASTM E4 - Gyakorlatok a tesztelőgépek erőellenőrzésére
• ASTM E74 - Gyakorlat az erőmérő műszerek kalibrálásához a tesztelőgépek erőjelzésének ellenőrzéséhez
• NTEP - Nemzeti Konferencia a súlyokról és a méretekről (megfelelőségi tanúsítvány)