Lastcelle - Load cell

En  belastningscelle er en kraft transduser . Den konverterer en kraft som spenning, kompresjon, trykk eller dreiemoment til et elektrisk signal som kan måles og standardiseres. Etter hvert som kraften som påføres lastcellen øker, endres det elektriske signalet proporsjonalt. De vanligste typene lastceller som brukes er strekkmålere, pneumatiske og hydrauliske.

Belastningsmåler for belastningsmåler

Belastningsceller for strekkmåler er den typen som oftest finnes i industrielle omgivelser. Det er ideelt ettersom det er svært nøyaktig, allsidig og kostnadseffektivt. Strukturelt har en lastcelle et metalllegeme som strekkmålere er festet til. Kroppen er vanligvis laget av aluminium, legert stål eller rustfritt stål, noe som gjør den veldig solid, men også minimalt elastisk. Denne elastisiteten gir opphav til begrepet "fjærelement", og refererer til lastcellens kropp. Når kraft utøves på lastcellen, blir fjærelementet litt deformert, og hvis det ikke er overbelastet, går det alltid tilbake til sin opprinnelige form. Etter hvert som fjærelementet deformeres, endrer strekkmålerne også form. Den resulterende endringen i motstanden i strekkmålerne kan måles som spenning. Spenningsendringen er proporsjonal med mengden kraft som påføres cellen, og dermed kan mengden kraft beregnes ut fra lastcellens utgang.

Strekkmålere

En strekkmåler er konstruert av veldig fin tråd eller folie, satt opp i et rutenettmønster og festet til en fleksibel bakside. Når formen på strekkmåleren endres, skjer det en endring i dens elektriske motstand. Tråden eller folien i strekkmåleren er arrangert på en måte at når det påføres kraft i en retning, oppstår en lineær endring i motstand. Spenningskraft strekker en strekkmåler, noe som får den til å bli tynnere og lengre, noe som resulterer i en økning i motstand. Kompresjonskraft gjør det motsatte. Strekkmåleren komprimeres, blir tykkere og kortere, og motstanden reduseres. Strekkmåleren er festet til en fleksibel bakside som gjør at den enkelt kan påføres en lastcelle, noe som gjenspeiler de små endringene som skal måles.

Siden endringen i motstand målt med en enkelt strekkmåler er ekstremt liten, er det vanskelig å måle endringer nøyaktig. Å øke antallet påførte måleinstrumenter samlet forstørrer disse små endringene til noe mer målbart. Et sett med 4 strekkmålere satt i en bestemt krets er en applikasjon av en Wheatstone -bro .

Wheatstone Bridge

En Wheatstone -bro er en konfigurasjon av fire balanserte motstander med en kjent eksitasjonsspenning påført som vist nedenfor:

Eksitasjonsspenning er en kjent konstant og utgangsspenningen er variabel avhengig av formen på strekkmålerne. Hvis alle motstander er balansert, betyr det at det er null. Hvis motstanden i en av motstandene endres, vil den på samme måte endres. Endringen i kan måles og tolkes ved hjelp av Ohms lov. Ohms lov sier at strømmen ( målt i ampere) som går gjennom en leder mellom to punkter er direkte proporsjonal med spenningen over de to punktene. Motstand ( , målt i ohm) introduseres som konstanten i dette forholdet, uavhengig av strømmen. Ohms lov kommer til uttrykk i ligningen . ${\ 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}$

Når den brukes på de fire benene i Wheatstone -brokretsen, er den resulterende ligningen:

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

I en lastcelle erstattes motstandene med strekkmålere og arrangeres i vekslende spenning og kompresjonsformasjon. Når kraft utøves på lastcellen, endres strukturen og motstanden til strekkmålerne og måles. Ut fra de resulterende dataene kan det enkelt bestemmes ved hjelp av ligningen ovenfor. ${\ textstyle V_ {o}}$${\ textstyle V_ {o}}$

Vanlige typer lastceller

Det finnes flere typer belastningsceller for strekkmåler:

• Single Point lastceller; brukes i små til mellomstore plattformvekter med plattformstørrelser på 200x200mm opp til 1200x1200 mm.
• Planar Beam lastceller; brukes i lavprofilløsninger der plassen er begrenset, som medisinske vekter og detaljhandelskalaer.
• Bøyning Beam lastceller; brukes i pall-, plattform- og små beholdervekter.
• Shear Beam lastceller; brukes i lavprofilskalaer og prosessapplikasjoner, tilgjengelig i kapasiteter fra 100kg opp til 50t!
• Dual Shear Beam lastceller; brukt i lastebilvekter, tank- og beholderapplikasjoner.
• S-type lastceller; brukes i spenningsapplikasjoner der du finner statisk og dynamisk belastning.
• Kompresjonslastceller; brukt i lastebilvekter, store plattformvekter, veibroer og vekter.
• Ring Torsion lastceller; brukes i trakter med høy presisjon, siloer, plattformer og pallvekter.
• Taletype lastceller; brukt i lav profil, høy presisjon applikasjon. Høye krefter som varierer fra 1t-500t.
• Ombord lastceller; brukes til innebygde veiesystemer på lastebiler, traktorer og andre kjøretøyer.
• Lastestifter; brukes i applikasjoner for måling av dynamiske, statiske eller heiskrefter.
• Veiputer; bærbare veiputer for veiing av biler og måler flyets tyngdepunkt.
• Tilbud; alle slags spesielle sensorer.

Pneumatisk lastcelle

Lastcellen er designet for å automatisk regulere balanseringstrykket. Lufttrykk påføres den ene enden av membranen, og den slipper ut gjennom munnstykket plassert i bunnen av lastcellen. En trykkmåler er festet med lastcellen for å måle trykket inne i cellen. Nedbøyningen av membranen påvirker luftstrømmen gjennom dysen så vel som trykket inne i kammeret.

Hydraulisk lastcelle

Den hydrauliske lastcellen bruker et konvensjonelt stempel- og sylinderarrangement med stempelet plassert i en tynn elastisk membran. Stempelet kommer faktisk ikke i kontakt med lastcellen. Mekaniske stopp er plassert for å forhindre overbelastning av membranen når belastningene overskrider en viss grense. Lastcellen er fullstendig fylt med olje. Når belastningen påføres stempelet, resulterer bevegelsen av stempelet og membranen i en økning av oljetrykket. Dette trykket overføres deretter til en hydraulisk trykkmåler via en høytrykkslange. Målerens Bourdon -rør registrerer trykket og registrerer det på skiven. Fordi denne sensoren ikke har elektriske komponenter, er den ideell for bruk i farlige områder. Typiske hydrauliske veiecelle -applikasjoner inkluderer tank, beholder og beholderveiing. For eksempel er en hydraulisk lastcelle immun mot forbigående spenning (lyn), så denne typen lastceller kan være en mer effektiv enhet i utendørs miljøer. Denne teknologien er dyrere enn andre typer lastceller. Det er en mer kostbar teknologi og kan derfor ikke effektivt konkurrere på grunnlag av kjøpskostnader.

Andre typer

Vibrerende lastcelle

Vibrerende trådlastceller , som er nyttige i geomekaniske applikasjoner på grunn av lave mengder drift , og kapasitive lastceller der kapasitansen til en kondensator endres når belastningen presser de to platene i en kondensator nærmere hverandre.

Piezoelektrisk lastcelle

Piezoelektriske lastceller fungerer på samme deformasjonsprinsipp som belastningsmålerens lastceller, men en spenningsutgang genereres av det grunnleggende piezoelektriske materialet - proporsjonalt med deformasjonen av lastcellen. Nyttig for dynamiske/hyppige målinger av kraft. De fleste applikasjoner for piezo-baserte lastceller er i de dynamiske lasteforholdene, hvor belastningsmålerens lastceller kan mislykkes med høye dynamiske lastesykluser. Den piezoelektriske effekten er dynamisk, det vil si at den elektriske effekten til en måler er en impulsfunksjon og ikke er statisk. Spenningsutgangen er bare nyttig når belastningen endres og ikke måler statiske verdier.

Avhengig av hvilket kondisjoneringssystem som brukes, kan imidlertid "kvasi statisk" operasjon utføres. Ved å bruke en ladeforsterker med en lang tidskonstant kan du måle nøyaktig i mange minutter for små laster opptil mange timer for store laster. En annen fordel med piezoelektriske lastceller som er kondisjonert med en ladningsforsterker, er det brede måleområdet som kan oppnås. Brukere kan velge en lastcelle med et område på hundre kilonewtons og bruke den til å måle noen få newton kraft med samme signal-støy-forhold; igjen er dette bare mulig ved bruk av en ladeforsterker for kondisjonering.

Vanlige problemer

• Mekanisk montering: cellene må være riktig montert. All lastkraft må gå gjennom den delen av lastcellen der dens deformasjon registreres. Friksjon kan forårsake forskyvning eller hysterese . Feil montering kan føre til at cellen rapporterer krefter langs uønsket akse, noe som fortsatt kan korrelere noe med den registrerte belastningen og forvirre teknikeren.
• Overbelastning: Innenfor rangeringen deformeres lastcellen elastisk og går tilbake til formen etter at den er losset. Hvis det utsettes for belastninger som overstiger maksimalverdien, kan lastcellens materiale plastisk deformeres ; dette kan resultere i en signalforskyvning, tap av linearitet, vanskeligheter med eller umulighet for kalibrering, eller til og med mekanisk skade på sensorelementet (f.eks. delaminering, brudd).
• Ledningsproblemer: ledningene til cellen kan utvikle høy motstand, f.eks. På grunn av korrosjon. Alternativt kan parallelle strømbaner dannes ved inntrengning av fuktighet. I begge tilfeller utvikler signalet offset (med mindre alle ledninger påvirkes likt) og nøyaktigheten går tapt.
• Elektrisk skade: Lastcellene kan bli skadet av indusert eller ledet strøm. Lyn som rammer konstruksjonen, eller lysbuesveising utført i nærheten av cellene, kan overbelaste de fine motstandene til strekkmålerne og forårsake skade eller ødeleggelse. For sveising i nærheten foreslås det å koble fra lastcellen og kort alle pinnene til bakken, i nærheten av selve cellen. Høye spenninger kan bryte gjennom isolasjonen mellom underlaget og strekkmålerne.
• Ikke -linearitet : I den lave enden av skalaen har lastcellene en tendens til å være ikke -lineære. Dette blir viktig for celler som oppdager svært store områder, eller med stort overskudd av lastevne for å motstå midlertidige overbelastninger eller støt (f.eks. Tauklemmene). Flere punkter kan være nødvendig for kalibreringskurven.
• Spesiell anvendelse: En lastcelle som ikke er godt egnet for den spesifikke størrelsen og typen trykk vil ha dårlig nøyaktighet, oppløsning og pålitelighet.

Eksitasjon og nominell effekt

Broen er begeistret med stabilisert spenning (vanligvis 10V, men kan være 20V, 5V eller mindre for batteridrevet instrumentering). Differansespenningen proporsjonal med belastningen vises da på signalutgangene. Celleutgangen er nominell i millivolt per volt (mV/V) av differansespenningen ved full nominell mekanisk belastning. Så en 2,96 mV/V lastcelle vil gi 29,6 millivoltsignal ved full belastning når den blir spenning med 10 volt.

Typiske følsomhetsverdier er 1 til 3 mV/V. Typisk maksimal eksitasjonsspenning er rundt 15 volt.

Kabling

Hele brocellene kommer vanligvis i firetrådskonfigurasjon. Ledningene til toppen og bunnen av broen er eksitasjonen (ofte merket E+ og E−, eller Ex+ og Ex−), ledningene til sidene er signalet (merket S+ og S−). Ideelt sett er spenningsforskjellen mellom S+ og S− null under null belastning, og vokser proporsjonalt med lastcellens mekaniske belastning.

Noen ganger brukes en sekstrådskonfigurasjon. De to ekstra ledningene er "sense" (Sen+ og Sen−), og er koblet til broen med Ex+ og Ex-ledningene, på en måte som ligner på fire-terminal sensing . Med disse tilleggssignalene kan kontrolleren kompensere for endringen i ledningsmotstand på grunn av eksterne faktorer, f.eks. Temperatursvingninger.

De enkelte motstandene på broen har vanligvis en motstand på 350 Ω . Noen ganger kan andre verdier (vanligvis 120 Ω, 1000 Ω) oppstå.

Broen er vanligvis elektrisk isolert fra underlaget. Følerelementene er i umiddelbar nærhet og i god gjensidig termisk kontakt, for å unngå differensielle signaler forårsaket av temperaturforskjeller.

Bruker flere celler

En eller flere lastceller kan brukes til å registrere en enkelt last.

Hvis kraften kan konsentreres til et enkelt punkt (liten skala sensing, tau, strekklast, punktbelastning), kan en enkelt celle brukes. For lange bjelker brukes to celler på slutten. Vertikale sylindere kan måles på tre punkter, rektangulære objekter krever vanligvis fire sensorer. Flere sensorer brukes til store containere eller plattformer, eller svært høye belastninger.

Hvis lastene garantert er symmetriske, kan noen av lastcellene erstattes med pivoter. Dette sparer kostnaden for lastcellen, men kan redusere nøyaktigheten betydelig.

Lastceller kan kobles parallelt; i så fall er alle de tilsvarende signalene koblet sammen (Ex+ til Ex+, S+ til S+, ...), og det resulterende signalet er gjennomsnittet av signalene fra alle sanseelementene. Dette brukes ofte i f.eks. Personlige vekter eller andre flerpunktsvektssensorer.

Den vanligste fargetildelingen er rød for Ex+, svart for Ex−, grønn for S+og hvit for S−.

Mindre vanlige oppgaver er rød for Ex+, hvit for Ex−, grønn for S+og blå for S−, eller rød for Ex+, blå for Ex−, grønn for S+og gul for S−. Andre verdier er også mulige, f.eks. Rødt for Ex+, grønt for Ex−, gult for S+ og blått for S−.

Ringer

Hver lastecelle utsettes for "ringing" når den utsettes for brå lastendringer. Dette stammer fra den fjellignende oppførselen til lastceller. For å måle belastningene må de deformeres. Som sådan må en lastcelle med begrenset stivhet ha fjærlignende oppførsel og vise vibrasjoner ved sin naturlige frekvens . Et oscillerende datamønster kan være et resultat av ringing. Ringing kan undertrykkes på en begrenset måte med passive midler. Alternativt kan et kontrollsystem bruke en aktuator for aktivt å dempe ut ringingen til en lastcelle. Denne metoden gir bedre ytelse til en kostnad av betydelig økning i kompleksitet.

Bruker

Lastceller brukes i flere typer måleinstrumenter som laboratoriebalanser, industrivekter, plattformvekter og universelle testmaskiner . Fra 1993 til British Antarctic Survey installert veieceller i glassfiber reir til veie albatross kyllinger. Lastceller brukes i en rekke forskjellige ting, for eksempel syv-stolperen som ofte brukes til å sette opp racerbiler.

Lastceller som veier ytelser

Lastceller brukes ofte til å måle vekt i et industrielt miljø. De kan installeres på beholdere, reaktorer, etc., for å kontrollere vektkapasiteten, som ofte er av kritisk betydning for en industriell prosess. Noen ytelsesegenskaper for lastcellene må defineres og spesifiseres for å sikre at de klarer den forventede tjenesten. Blant disse designegenskapene er:

• Kombinert feil
• Minste verifiseringsintervall
• Vedtak

Lastcelle spesifikasjoner

De elektriske, fysiske og miljømessige spesifikasjonene til en lastcelle bidrar til å bestemme hvilke applikasjoner den er egnet for. Vanlige spesifikasjoner inkluderer:

• Full skala utgang (FSO): Elektronisk utgang uttrykt i mV/V. Målt i full skala.
• Kombinert feil: prosent av fullskalaeffekten som representerer maksimal avvik fra den rette linjen trukket mellom ingen belastning og belastning ved nominell kapasitet. Ofte målt under synkende og økende belastning.
• Ikke-linearitet: Maksimal avvik for kalibreringskurven fra en rett linje trukket mellom nominell kapasitet og null belastning. Målt på økende belastning og uttrykt som prosent av fullskalaeffekten.
• Hysterese: Maksimal forskjell mellom utgangssignaler for lastceller for samme belastning. Den første målingen kan oppnås ved å redusere belastningen fra nominell effekt og den andre ved å øke lasten fra null.
• Repeterbarhet: Maksimal forskjell mellom utgangsmålinger for gjentatte belastninger under identiske forhold. Målt i prosent av nominell effekt.
• Nullbalanse (forskyvning): Utgangsavlesning av lastcellen med nominell eksitasjon uten belastning. Avviket i utgang mellom en sann nullmåling og en ekte lastcelle under nullbelastning uttrykt som en prosentandel av fullskalaeffekten.
• Kompensert temperert område: Temperaturområdet som en lastcelle kompenseres over slik at den kan sikre null balanse og nominell effekt innenfor angitte grenser. Uttrykt som ° F eller ° C.
• Driftstemperaturområde: Ekstreme temperaturområder der en lastcelle kan operere uten permanente, negative effekter på noen av dens ytelsesegenskaper. Uttrykt som ° F eller ° C.
• Temperatureffekt på utgang: Modifikasjon av utlesninger forårsaket av lastcelletemperatur. Uttrykt som prosent av fullskalaeffekten per grad ° F eller ° C.
• Temperatureffekt på null: Endring i nullbalanse forårsaket av endringer i omgivelsestemperaturen. Uttrykt som prosent av fullskalaeffekten per grad ° F eller ° C.
• Inngangsmotstand: Inngangsmotstand for lastcellens brokrets. Målt på positive og negative eksitasjonsledninger uten belastning. Målt i ohm.
• Utgangsresistens: Utmatningsmotstand for lastcellens brokrets. Målt på de positive og negative eksitasjonsledninger uten belastning. Målt i ohm.
• Isolasjonsmotstand: Motstanden målt langs veier mellom: brokrets og transduserelement, brokrets og kabelskjerm og transduserelement og kabelskjerm. Typisk målt ved femti volt under standard testforhold.
• Anbefalt eksitasjon: Maksimal anbefalt eksitasjonsspenning for transduseren for at den skal fungere innenfor spesifikasjonene. Uttrykt i VDC.
• Kabellengde: Lengden på standardkabelen som lastcellen er kalibrert for. Kabellengde påvirker hvordan lastcellen er kalibrert.
• Sikker overbelastning: Maksimal belastning som kan påføres en lastcelle uten å forårsake permanente effekter på ytelsesspesifikasjonene. Målt som en prosent av fullskalaeffekten.
• Ultimate Overload: Maksimal belastning som kan motstå uten å forårsake strukturelle feil.
• Materiale: Stoff som omfatter fjærelementet i lastcellen.

Lastcellekalibrering

Lastceller er en integrert del av de fleste veiesystemer i industri-, romfarts- og bilindustrien, og de varer hardt daglig. Over tid vil lastcellene drive, bli eldre og feiljustere; Derfor må de kalibreres regelmessig for å sikre at nøyaktige resultater opprettholdes. ISO9000 og de fleste andre standarder angir en maksimal periode på rundt 18 måneder til 2 år mellom omkalibreringsprosedyrer, avhengig av nivået på forringelse av lastceller. Årlig omkalibrering regnes som beste praksis av mange lastcellebrukere for å sikre de mest nøyaktige målingene.

Standard kalibreringstester vil bruke linearitet og repeterbarhet som en kalibreringsretningslinje, da disse begge brukes til å bestemme nøyaktighet. Kalibrering utføres trinnvis og starter i stigende eller synkende rekkefølge. For eksempel, når det gjelder en 60 tonn lastcelle, kan spesifikke testvekter som måler i trinn på 5, 10, 20, 40 og 60 tonn brukes. en kalibreringsprosess på fem trinn er vanligvis tilstrekkelig for å sikre at en enhet er nøyaktig kalibrert. Gjenta denne fem-trinns kalibreringsprosedyren 2-3 ganger anbefales for konsekvente resultater.

Se også

• Vårskala
• Strekk sensor

Referanser

Standarder

• ASTM E4 - Praksis for kraftverifisering av testmaskiner
• ASTM E74 - Praksis for kalibrering av måleinstrumenter for kraft for å verifisere kraftindikasjonen for testmaskiner
• NTEP - Nasjonal konferanse om vekter og mål (Samsvarsbevis)