Введение

Прибор, показывающий величину силы.
Тензодатчик преобразует силу, такую как растяжение, сжатие, давление или крутящий момент, в сигнал (электрический, пневматический или гидравлический, либо индикатор механического перемещения), который можно измерить и стандартизировать. Это преобразователь силы. По мере увеличения силы, приложенной к тензодатчику, сигнал изменяется пропорционально. Наиболее распространенными типами тензодатчиков для промышленных применений являются пневматические, гидравлические и тензометрические. Типичные неэлектронные бытовые весы являются распространенным примером индикатора механического перемещения, где приложенный вес (сила) определяется путем измерения деформации пружин, поддерживающих платформу для взвешивания, что технически является "тензодатчиком".

Нагрузочный элемент детонатора

Нагрузочные ячейки с тензодатчиками наиболее часто встречаются в промышленных условиях. Они оптимальны благодаря высокой точности, универсальности и экономичности. Конструктивно нагрузочная ячейка состоит из металлического корпуса, к которому закреплены тензодатчики. Корпус обычно изготавливается из алюминия, легированной или нержавеющей стали, что обеспечивает высокую прочность и минимальную упругость. Эта упругость и является причиной использования термина "упругий элемент" по отношению к корпусу нагрузочной ячейки. При приложении силы к нагрузочной ячейке упругий элемент незначительно деформируется и, при отсутствии перегрузки, всегда возвращается к своей первоначальной форме. При деформации упругого элемента тензодатчики также изменяют свою форму. Возникающее изменение сопротивления тензодатчиков может быть измерено в виде напряжения. Изменение напряжения пропорционально величине приложенной силы, что позволяет вычислить эту силу по выходному сигналу нагрузочной ячейки.

Измерители деформации

Датчик деформации изготавливается из очень тонкой проволоки или фольги, расположенной в виде сетки и прикрепленной к гибкой основе. При изменении формы датчика деформации происходит изменение его электрического сопротивления. Проволока или фольга в датчике деформации расположены таким образом, что при приложении силы в одном направлении происходит линейное изменение сопротивления. Растягивающая сила удлиняет датчик деформации, делая его тоньше и длиннее, что приводит к увеличению сопротивления. Сжимающая сила действует противоположно: датчик деформации сжимается, становится толще и короче, а сопротивление уменьшается. Датчик деформации прикреплен к гибкой основе, что позволяет легко устанавливать его на тензодатчик, отражая малейшие изменения, которые необходимо измерить. Поскольку изменение сопротивления, измеряемое одним датчиком деформации, чрезвычайно мало, точно измерить эти изменения сложно. Увеличение количества датчиков деформации, используемых совместно, усиливает эти небольшие изменения, делая их более измеримыми. Набор из 4 датчиков деформации, включенных в определенную схему, представляет собой применение моста Уитстона.

Клетка емкостной нагрузки

Цифровая емкостная технология основана на бесконтактном керамическом датчике, установленном внутри корпуса тензодатчика. Поскольку тензодатчик не содержит движущихся частей, а керамический датчик не контактирует с корпусом тензодатчика, он выдерживает очень высокие перегрузки (до 1000%), боковые нагрузки, крутящие моменты и блуждающие напряжения сварки. Это позволяет упростить установку тензодатчиков, отказавшись от дорогостоящих и сложных монтажных комплектов, распорных стержней или устройств защиты от перегрузки, что, в свою очередь, исключает необходимость в техническом обслуживании.

Основные отличия от силовых установок

Емкостные и тензометрические датчики силы используют эластичный элемент, деформирующийся под воздействием измеряемой нагрузки. Материал для эластичного элемента обычно выбирают из алюминия или нержавеющей стали, особенно для датчиков, применяемых в коррозионно-активных промышленных средах. Тензометрический датчик измеряет деформацию эластичного элемента, а его выходной сигнал преобразуется электронной схемой в сигнал, пропорциональный нагрузке. Емкостные датчики измеряют деформацию эластичного материала, фиксируя изменение емкости между двумя пластинами при их сближении. Емкостные датчики обладают более высокой чувствительностью по сравнению с тензометрическими. Благодаря значительно более высокой чувствительности, требуется меньшая деформация эластичного элемента, поэтому эластичный элемент емкостного датчика силы испытывает напряжение примерно в 5-10 раз меньше, чем эластичный элемент тензометрического датчика силы. Небольшая деформация элемента в сочетании с бесконтактным принципом работы емкостного датчика обеспечивает высокую устойчивость к ударным воздействиям и перегрузкам по сравнению с тензометрическим датчиком силы. Это явное преимущество в промышленных условиях, особенно для датчиков малой грузоподъемности, где риск повреждения от ударов и перегрузок особенно велик.

Подключенность емкостных блоков нагрузки

В стандартной аналоговой тензодатчиковой ячейке питания и низкоуровневый аналоговый сигнал обычно передаются по довольно дорогому 6-проводному кабелю к измерительному оборудованию, где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. В отличие от этого, цифровые емкостные тензодатчики передают цифровой сигнал обратно на измерительное оборудование, которое может находиться на расстоянии нескольких сотен метров, не оказывая влияния на показания.

Пневматическая нагрузочная ячейка

Пневматическая нагрузочная ячейка предназначена для автоматической регулировки балансирующего давления. Воздушное давление подается на один конец мембраны и выходит через сопло, расположенное в нижней части нагрузочной ячейки. К нагрузочной ячейке подключен манометр для измерения давления внутри ячейки. Деформация мембраны влияет на воздушный поток через сопло, а также на давление внутри камеры.

Гидравлическая нагрузочная ячейка

Гидравлическая тензодатчик использует стандартную конструкцию поршня и цилиндра, при этом поршень расположен в тонкой эластичной мембране. Поршень фактически не контактирует с тензодатчиком. Механические упоры установлены для предотвращения перенапряжения мембраны при превышении нагрузки определенного предела. Тензодатчик полностью заполнен маслом. При приложении нагрузки к поршню, движение поршня и мембраны приводит к увеличению давления масла. Это давление затем передается на гидравлический манометр через шланг высокого давления. Бурдóнная трубка манометра воспринимает давление и регистрирует его на шкале. Поскольку этот датчик не содержит электрических компонентов, он идеально подходит для использования во взрывоопасных зонах. Типичные области применения гидравлических тензодатчиков включают взвешивание резервуаров, бункеров и воронкообразных емкостей. Например, гидравлический тензодатчик невосприимчив к переходным напряжениям (например, от ударов молнии), поэтому этот тип тензодатчиков может быть более эффективным устройством в наружных условиях. Эта технология дороже других типов тензодатчиков. Это более дорогостоящая технология, и поэтому она не может эффективно конкурировать по стоимости приобретения.

Клетка емкостной нагрузки

Емкостные тензодатчики – это тензодатчики, в которых емкость конденсатора изменяется при сближении двух пластин конденсатора под воздействием нагрузки. Емкостные тензодатчики более устойчивы к поперечным силам по сравнению с тензометрическими тензодатчиками.

Пьезоэлектрическая нагрузочная ячейка

Пьезоэлектрические тензодатчики работают по тому же принципу деформации, что и тензометрические, но выходное напряжение генерируется самим пьезоэлектрическим материалом – пропорционально деформации тензодатчика. Они полезны для динамических и часто повторяющихся измерений силы. Большинство областей применения пьезоэлектрических тензодатчиков – это условия динамической нагрузки, где тензометрические могут выйти из строя при большом количестве циклов динамического воздействия. Пьезоэлектрический эффект является динамическим, то есть электрический сигнал датчика представляет собой импульсную функцию и не является статическим. Выходное напряжение полезно только при изменении деформации и не измеряет статические значения. Однако, в зависимости от используемой схемы обработки сигнала, возможна работа в "квазистатическом" режиме. Использование усилителя заряда с большой постоянной времени позволяет проводить точные измерения в течение нескольких минут для небольших нагрузок и до нескольких часов для больших. Еще одним преимуществом пьезоэлектрических тензодатчиков с усилителем заряда является широкий диапазон измерений. Пользователи могут выбрать тензодатчик с диапазоном в сотни килоньютонов и использовать его для измерения нескольких ньютонов силы с тем же соотношением сигнал/шум; это возможно только при использовании усилителя заряда для обработки сигнала.

Общие вопросы

Механическое крепление: ячейки должны быть установлены правильно. Вся нагрузка должна передаваться через ту часть тензодатчика, где регистрируется его деформация. Трение может вызывать смещение или гистерезис. Неправильное крепление может привести к тому, что ячейка будет измерять силы по нежелательной оси, что, тем не менее, может в некоторой степени коррелировать с приложенной нагрузкой, вводя техника в заблуждение. Перегрузка: В пределах своего номинального диапазона тензодатчик деформируется упруго и возвращается к своей первоначальной форме после снятия нагрузки. При воздействии нагрузок, превышающих максимальный предел, материал тензодатчика может деформироваться пластически, что может привести к смещению сигнала, потере линейности, затруднениям или невозможности калибровки, или даже к механическому повреждению чувствительного элемента (например, расслоению, разрушению). Емкостные тензодатчики, по сравнению с тензорезисторными, более устойчивы к перегрузкам благодаря их бесконтактному принципу измерения. Проблемы с проводкой: провода, подключенные к ячейке, могут иметь высокое сопротивление, например, из-за коррозии. Альтернативно, могут образоваться параллельные пути тока из-за попадания влаги. В обоих случаях сигнал будет смещен (если не все провода повреждены одинаково) и потеряется точность. Электрические повреждения: тензодатчики могут быть повреждены наведенным или проводимым током. Удар молнии в конструкцию или дуговая сварка вблизи ячеек могут привести к перегрузке тонких резисторов тензорезисторов и вызвать их повреждение или разрушение. При проведении сварки вблизи рекомендуется отключить тензодатчик и заземлить все его контакты рядом с самой ячейкой. Высокое напряжение может пробить изоляцию между подложкой и тензорезисторами. Нелинейность: в нижней части шкалы тензодатчики, как правило, нелинейны. Это становится важным для ячеек, измеряющих очень большие диапазоны, или имеющих значительный запас грузоподъемности для выдерживания временных перегрузок или ударов (например, для стяжных хомутов). Для построения калибровочной кривой может потребоваться больше точек. Специфика применения: тензодатчик, который не подходит для конкретной величины и типа нагрузки, будет иметь низкую точность, разрешение и надежность.

Возбуждение и номинальная мощность

Мост возбуждается стабилизированным напряжением (обычно 10 В, но может быть 20 В, 5 В или меньше для приборов, работающих от аккумулятора). На сигнальных выходах появляется разностное напряжение, пропорциональное нагрузке. Чувствительность тензодатчика указывается в милливольтах на вольт (мВ/В) разности напряжения при полной номинальной механической нагрузке. Таким образом, тензодатчик с чувствительностью 2,96 мВ/В выдаст сигнал 29,6 милливольт при полной нагрузке при возбуждении напряжением 10 вольт. Типичные значения чувствительности находятся в диапазоне от 1 до 3 мВ/В. Типичное максимальное напряжение возбуждения составляет около 15 вольт.

Проводка

Полные мостовые ячейки обычно имеют четырехпроводную конфигурацию. Провода, подключенные к верхнему и нижнему концам моста, являются проводами возбуждения (часто обозначаются E+ и E−, или Ex+ и Ex−), а провода по бокам – проводами сигнала (обозначаются S+ и S−). В идеале, разность напряжений между S+ и S− равна нулю при отсутствии нагрузки и возрастает пропорционально механической нагрузке на тензодатчик. Иногда используется шестипроводная конфигурация. Два дополнительных провода являются "чувствительными" (Sen+ и Sen−) и подключены к мосту вместе с проводами Ex+ и Ex аналогично четырехпроводному измерению. Эти дополнительные сигналы позволяют контроллеру компенсировать изменение сопротивления проводов, вызванное внешними факторами, например, колебаниями температуры. Отдельные резисторы в мосту обычно имеют сопротивление 350 Ом. В некоторых случаях могут встречаться другие значения (обычно 120 Ом, 1000 Ом). Мост обычно электрически изолирован от подложки. Чувствительные элементы расположены близко друг к другу и находятся в хорошем тепловом контакте, чтобы избежать возникновения дифференциальных сигналов, вызванных разницей температур.

Использование нескольких ячеек

Для обнаружения одной нагрузки можно использовать одну или несколько тензодатчиков. Если сила может быть сконцентрирована в одной точке (малые датчики, тросы, растягивающие нагрузки, точечные нагрузки), можно использовать один тензодатчик. Для длинных балок используются два тензодатчика на концах. Вертикальные цилиндры можно измерять в трех точках, прямоугольные объекты обычно требуют четырех датчиков. Для больших контейнеров или платформ, а также для очень высоких нагрузок используется большее количество датчиков. Если нагрузки гарантированно симметричны, некоторые тензодатчики можно заменить на опоры. Это позволяет сэкономить на стоимости тензодатчика, но может значительно снизить точность. Тензодатчики можно соединять параллельно; в этом случае все соответствующие сигналы объединяются (Ex+ к Ex+, S+ к S+), а результирующий сигнал является средним значением сигналов от всех измерительных элементов. Это часто используется, например, в бытовых весах или других многоточечных датчиках веса. Наиболее распространенная цветовая схема: красный для Ex+, черный для Ex−, зеленый для S+, и белый для S−. Менее распространенные схемы: красный для Ex+, белый для Ex−, зеленый для S+, и синий для S−, или красный для Ex+, синий для Ex−, зеленый для S+, и желтый для S−. Возможны и другие варианты, например, красный для Ex+, зеленый для Ex−, желтый для S+ и синий для S−.

Звонок

Каждая тензодатчик подвержена "колебаниям" при резких изменениях нагрузки. Это связано с упругим поведением тензодатчиков. Для измерения нагрузки они должны деформироваться. Следовательно, тензодатчик с конечной жесткостью обладает упругими свойствами, проявляя вибрации на своей собственной частоте. Колеблющийся график данных может быть результатом этих колебаний. Колебания можно подавить в ограниченной степени пассивными методами. В качестве альтернативы, система управления может использовать исполнительный механизм для активного гашения колебаний тензодатчика. Этот метод обеспечивает более высокую производительность, но при этом значительно усложняет систему.

Применение

Нагрузочные ячейки используются в различных типах измерительных приборов, таких как лабораторные весы, промышленные весы, платформенные весы и машины для универсальных испытаний. С 1993 года Британская антарктическая служба устанавливала нагрузочные ячейки в гнезда из стекловолокна для взвешивания птенцов альбатросов. Нагрузочные ячейки применяются в широком спектре устройств, например, в семиточечном стенде, который часто используется для настройки гоночных автомобилей.

Спецификации ячейки нагрузки

Электрические, физические и экологические характеристики тензодатчика помогают определить области его применения. Основные характеристики включают:
Full Scale Output (FSO): выходной сигнал, выраженный в мВ/В. Измеряется при полной шкале. Комбинированная погрешность: процент от полной шкалы, представляющий максимальное отклонение от прямой линии, проведенной между нулевой нагрузкой и нагрузкой при номинальной мощности. Часто измеряется при возрастающей и убывающей нагрузке. Нелинейность: максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии, проведенной между номинальной мощностью и нулевой нагрузкой. Измеряется при возрастающей нагрузке и выражается в процентах от полной шкалы. Гистерезис: максимальная разница между выходными сигналами тензодатчика при одинаковой приложенной нагрузке. Первое измерение может быть получено при уменьшении нагрузки от номинальной, а второе – при увеличении нагрузки от нуля. Повторяемость: максимальная разница между выходными измерениями при повторных нагрузках в идентичных условиях. Измеряется в процентах от номинальной мощности. Нулевой баланс (смещение): показания тензодатчика при номинальном возбуждении без нагрузки. Отклонение выходного сигнала между истинным нулевым измерением и реальным тензодатчиком при нулевой нагрузке, выраженное в процентах от полной шкалы. Компенсированный температурный диапазон: температурный диапазон, в пределах которого тензодатчик компенсирован для обеспечения нулевого баланса и номинального выходного сигнала в пределах заданных пределов. Выражается в °F или °C. Диапазон рабочих температур: предельные значения температур, в которых тензодатчик может работать без необратимого ухудшения его характеристик. Выражается в °F или °C. Температурный эффект на выход: изменение выходных показаний, вызванное температурой тензодатчика. Выражается в процентах от полной шкалы на градус °F или °C. Температурный эффект на нулевой баланс: изменение нулевого баланса, вызванное изменением температуры окружающей среды. Выражается в процентах от полной шкалы на градус °F или °C. Входное сопротивление: входное сопротивление мостовой схемы тензодатчика. Измеряется на положительных и отрицательных выводах возбуждения без нагрузки. Измеряется в Омах. Выходное сопротивление: выходное сопротивление мостовой схемы тензодатчика. Измеряется на положительных и отрицательных выводах возбуждения без нагрузки. Измеряется в Омах. Сопротивление изоляции: сопротивление, измеренное между: мостовой схемой и чувствительным элементом, мостовой схемой и экраном кабеля, а также чувствительным элементом и экраном кабеля. Обычно измеряется при пятидесяти вольтах в стандартных условиях испытаний. Рекомендуемое возбуждение: максимальное рекомендуемое напряжение возбуждения для работы преобразователя в пределах его спецификаций. Выражается в В постоянного тока (VDC). Длина кабеля: длина стандартного кабеля, для которого откалиброван тензодатчик. Длина кабеля влияет на калибровку тензодатчика. Допустимая перегрузка: максимальная нагрузка, которая может быть приложена к тензодатчику без необратимого влияния на его характеристики. Измеряется в процентах от полной шкалы. Предельная перегрузка: максимальная нагрузка, которую можно выдержать без разрушения конструкции. Материал: вещество, из которого состоит упругий элемент тензодатчика.

Калибровка ячейки нагрузки

Нагрузочные ячейки являются неотъемлемой частью большинства систем взвешивания в промышленности, аэрокосмической и автомобильной отраслях, выдерживая интенсивное ежедневное использование. Со временем нагрузочные ячейки подвержены дрейфу, старению и нарушению центровки, поэтому их необходимо регулярно калибровать для обеспечения точности результатов. Стандарт ISO 9000 и большинство других стандартов устанавливают максимальный период между повторной калибровкой в пределах 18 месяцев – 2 лет, в зависимости от степени износа нагрузочной ячейки. Многие пользователи нагрузочных ячеек считают ежегодную перекалибровку оптимальной практикой для обеспечения максимально точных измерений. При стандартной калибровке в качестве критериев используются линейность и повторяемость, поскольку они позволяют определить точность измерений. Калибровка выполняется поэтапно, начиная с последовательного увеличения или уменьшения нагрузки. Например, для нагрузочной ячейки на 60 тонн могут использоваться эталонные весы с номинальными значениями 5, 10, 20, 40 и 60 тонн; обычно пятиэтапного процесса калибровки достаточно для обеспечения точной настройки прибора. Для получения стабильных результатов рекомендуется повторить эту пятиэтапную процедуру калибровки 2-3 раза.