- Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики
- Определение маркировки проводов тензодатчика без документации
- Технические особенности
- Описание
- Устройство и принцип работы
- Как подключить
- Тензодатчики силы растяжения и сжатия
- Тензорезисторы проволочные и фольговые
- Типы
- Виды
- Сферы применения
- Измерение веса
- Измерение давления
- Измерение крутящего момента
- Определение ускорения
- Контроль перемещения
- Как поступить, если весы вышли из строя
- Калибровка
- Тензодатчики веса
- Плюсы и минусы
- Назначение
- Материал корпуса
- Преимущества и недостатки тензодатчиков
- Микросхема INA125
- Основные схемы подключения
- Выбрать тензометрический датчик
- 1) Проверка сопротивления изоляции.
- Конструкция
- Примеры использования тензометрических датчиков
- Характеристики тензорезисторов
- Классификация тензометрического оборудования
Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики
Тензометрия (от лат tensus — напряженный) — метод и прием измерения напряженно-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что измерить механическое напряжение напрямую невозможно, поэтому задача заключается в измерении деформации объекта и расчете напряжения с помощью специальных методик, учитывающих физические свойства материала.
Работа тензорезисторов основана на эффекте деформации — это свойство твердых материалов изменять свое сопротивление при различных деформациях. Датчики деформации — это устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют значение в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом приборов для измерения деформации твердых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).
Определение маркировки проводов тензодатчика без документации
Если у вас нет описания тензорезистора, вы можете использовать обычный мультиметр для определения маркировки проводов, при условии, что тензорезистор аналоговый, а не цифровой.
Соединение нескольких тензодатчиков с помощью распределительной коробки (балансировка
Как соединить несколько тензодатчиков с помощью балансировочного ящика, можно посмотреть на видео
Заземление и экранирование при подключении тензодатчика.
При параллельном подключении датчиков необходимо не забыть соединить экранные оплетки кабелей между собой через соответствующий клеммный контакт в распределительной коробке, и сразу же заземлить их вместе с корпусом коробки. Общий кабель от распределительной коробки к прибору также должен быть заземлен с ОДНОЙ стороны, как описано выше, во избежание образования «земляной петли», желательно близко к вводу измерительного прибора, т.е приемника.
На кабеле датчика, прямо поверх изоляции, на расстоянии 4-5 см от вывода измерительного прибора, целесообразно закрепить ферритовый фильтр, блокирующий различные помехи от земли, возникающие в цеху. Такие фильтры выпускаются для кабелей разного диаметра. На приемно-передающем блоке желательно прикрепить фильтры других длинных линий, например RS-485.
Если индуктивности одного фильтра недостаточно для надежного снижения уровня шума, такие фильтры можно защелкнуть последовательно на небольшом расстоянии друг от друга, увеличив тем самым индуктивность до необходимого уровня.
Технические особенности
Даже при внушительном ассортименте различных моделей тензорезисторов они обладают техническими характеристиками, объединяющими все типы приборов. В первую очередь речь идет о погрешности измерения, которая в той или иной степени присуща всем типам тензодатчиков. Однако в самых современных приборах для измерения веса устанавливаются электронные модели, отличающиеся повышенной точностью при измерении степени деформации.
Такие приборы относятся к классу С3, что позволяет проводить измерения с погрешностью всего 0,02%. Еще одна интересная деталь функционала тензодатчиков — способность измерительного блока с несколькими датчиками сохранять работоспособность при выходе из строя одного из них.
Отдельно стоит выделить материалы, из которых изготовлены комплектующие тензорезисторов. Чаще всего в эксплуатации встречаются изделия на основе легированной стали или алюминия, благодаря чему датчики обладают отличной износостойкостью. Для весов, используемых в пищевой промышленности, обычно используются датчики из нержавеющей стали, которые обладают высокой коррозионной стойкостью и водонепроницаемостью IP68.
Описание
Тензорезисторы классифицируют не только по форме, но и по конструктивным особенностям. Конструкция устройства зависит от типа чувствительного элемента. Для контроля деформации используются следующие типы соединителей:
- Фольга;
- Фильм;
- Проволока.
Индикатор с элементом из фольги используется в качестве клеевого тензодатчика. Это очень практичная система, представляющая собой фольгированную ленту толщиной до 12 микрон. Часть пленки имеет плотную форму, а часть имеет решетчатую форму. Эта модель отличается от остальных тем, что можно припаивать дополнительные контакты, и они нормально выдерживают низкие температуры.
Фото — конвертер фольги
Пленки аналогичны фольге, за исключением материала, из которого они сделаны. Производители изготавливают такие модели из чувствительных к нагрузке пленок со специальным напылением, повышающим чувствительность системы. Такие измерительные устройства целесообразно использовать при необходимости измерения динамических нагрузок. Производство пленок осуществляется из таких материалов, как титан, висмут, германий.
Нить способна измерять груз от сотых долей грамма до целых тонн (например, весовая тара и др.). Они называются одноточечными, потому что, в отличие от пленочных и фольгированных моделей, измеряют в одной точке, а не площади. Эта конструкция позволяет использовать проволочные тензорезисторы для измерения деформации сжатия и растяжения.
Фото — проволочная модель
Устройство и принцип работы
Основой тензодатчика является тензодатчик, оснащенный специальными контактами, прикрепленными к передней части измерительной панели. Во время измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, который передается на элементы обработки и отображения измеренного значения тензорезистора.
В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик на выходе из пекарни абсолютно не подходит для электронных фармацевтических весов, где важна каждая сотая доля грамма.
Как подключить
Подключение тензодатчика несложно сделать своими руками, если под рукой есть схема. Для начала нужно купить прибор, при этом учитывать, какой длины нужен кабель для тензодатчиков. Его можно продлить в случае острой необходимости, но тогда точность индикатора сильно упадет. Контроллер тензодатчика см. 01, который действует как усилительный модуль, поможет нормализовать этот параметр путем встраивания.
Фото – схема подключения
Если в весах используется несколько индикаторов, их необходимо соединить параллельно с помощью соединительных коробок.
Независимо от типа электропитания, провода к датчикам также должны быть заземлены. Заземление должно быть установлено в одной общей точке, также для этого можно использовать распределительную коробку, например КАС.
После этого датчики проверяются на правильность подключения. Перед выездом рекомендуется проверить все контакты и контуры заземления. Монтаж устройств осуществляется с помощью экранированного кабеля, гасящего помехи, благодаря чему дополнительные модули не требуются. Аналогичным образом преобразователь подключается к дозатору.
Фото — стандартное подключение
Чрезмерное усилие может сломать преобразователь, в этом случае не пытайтесь ремонтировать его вручную.
Большой популярностью пользуются модели тензодатчиков производства Utilcell, Zemic, ADC, KELY (Кели), НВМ (HBM), NSK KB-12A и DST. Модели имеют разные характеристики и сферы применения, поэтому перед покупкой внимательно изучите параметры.
Тензодатчики силы растяжения и сжатия
Датчики нагрузки на растяжение и сжатие обычно имеют S-образную форму, изготовлены из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначен для бункерных весов и дозаторов с диапазоном измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные датчики нагрузки на растяжение и сжатие могут использоваться в машинах для производства кабелей, тканей и волокон для контроля силы растяжения этих материалов.
Тензорезисторы проволочные и фольговые
Проволочные тензодатчики изготавливают в виде спирали из проволоки малого диаметра и закрепляют на упругом элементе или испытуемой детали с помощью клея. Они характеризуются:
- простое производство;
- линейная зависимость от нагрузки;
- маленький размер и цена.
Типы
Ассортимент тензометрических датчиков охватывает множество устройств различного назначения. Поэтому для измерения величины физического воздействия используются тензометрические датчики различных типов. Разделение датчиков по типам осуществляется на основе нескольких факторов.
Рис. 4. Типы датчиков по форме грузоприемного основания
Так, в зависимости от формы грузоприемного основания он бывает:
- Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании тары и так далее;
- S-образный – используется для измерения поднимаемых грузов;
- Мембранные — используются в системах управления, высокоточных датчиках и т д;
- Колонна – монтируется в оборудование большой массы;
В зависимости от типа метода измерения все тензорезисторы делятся на:
- Резистивная — работа основана на тензодатчике или мосте из них, размещенном на гибком основании. Такой тензорезистор крепится к поверхности тензорезистора и реагирует на механические деформации. В соответствии с пунктом 1.1 ГОСТ 21616-91 их делят на проволоку и фольгу. По количеству и форме их делят на одинарные, раструбные, цепочные, мембранные раструбы.
- Тактильный – состоит из двух проводников, между которыми находится перфорированная диэлектрическая пленка. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и придают некоторую проводимость, которая изменяет величину сопротивления. В зависимости от типа измерения различают датчики касания, скольжения и силы.
- Пьезорезонанс — на основе полупроводниковых элементов, в таких тензодатчиках реальный сигнал сравнивается с опорным сигналом.
- Пьезоэлектрический — основан на напряжении самовыхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При приложении силы к кристаллу изменяется и величина зарядов, которые передаются на измерительный элемент тензорезистора.
- Магнитные — используют свойство магнитопроводов изменять значение магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. Когда сердечник сжимается или растягивается, электромагнитный поток, создаваемый катушкой, будет изменяться. В результате индуктивность тензорезистора также будет отклоняться от образцового состояния.
- Емкостной — используйте эффект переменного конденсатора, где емкость будет увеличиваться при уменьшении расстояния между пластинами. А с увеличением расстояния или уменьшением площади пластин емкость будет уменьшаться.
Рис. 5. Принцип работы емкостного тензодатчика
В соответствии с п. 1.2 ГОСТ 28836-90 по характеру приложенного усилия тензорезисторы можно разделить на реагирующие на сжатие, растяжение и универсальные.
Читайте также: Газовые теплогенераторы для воздушного отопления домов, оборудования, агрегатов, труб
Виды
Применимость рассматриваемых измерительных элементов определяется материалом, из которого изготовлен датчик. Наиболее распространенным исходным материалом является константановый сплав, состоящий из 40% никеля и 60% меди. Для константы k ≈ 2; другие сплавы с постоянным электрическим сопротивлением имеют тот же порядок значений (1,5…3,5.
Датчики полупроводникового типа имеют более высокие значения коэффициента пропорциональности. В зависимости от материала полупроводника (кремний или германий), а также состава легирующих присадок значения коэффициента достигают 50…70. В этом отношении полупроводниковые тензорезисторы более чувствительны и используются для оценки малых удлинений. В то же время для полупроводниковых датчиков характерны повышенные отклонения их относительного удлинения в пределах 1,5…9 % относительного удлинения. Для проволочных калибров этот показатель не превышает 0,5%.
Конструкция тензорезисторов проволочного типа разработана с учетом следующих ограничений:
- Для достижения достаточной точности измерения значение сопротивления проволочного элемента должно быть в пределах 100…1000 Ом;
- Диаметр проволоки рекомендуется иметь в пределах 0,01…0,03 мм;
- Длина проволочного элемента не должна превышать 250…300 мм.
В ряде случаев указанные выше ограничения не позволяют устанавливать тензорезисторы в виде проводов, поэтому измерительные блоки изготавливают из фольги или плоских измерительных сеток. Для защиты от повреждений, которые могут возникнуть при транспортировке или установке таких датчиков, для их крепления в напольном варианте используется подложка из бумаги или тонкого пластика.
Для обеспечения электрического контакта с измерительной сеткой на подложку укладываются провода, которые затем припаиваются к датчику.
Типы тензорезисторов, включающие активный измерительный элемент, контактные выводы и подложку:
- Плоский провод.
- Фольга.
- Полупроводниковые, с одним или двумя стержнями.
- Трубчатый.
Краткое описание наиболее распространенных модификаций тензорезисторов приведено ниже.
- Приставка. Предназначены для измерения крутящих и изгибающих моментов, устанавливаются в местах наибольшего прогиба конструкций.
- Цилиндрический. Наименее компактны, но позволяют определить значительные напряжения, приближающиеся по своим значениям к пределу текучести предельного материала.
- S-образный. Они позволяют оценивать объемные деформации в объемном напряженно-деформированном состоянии. Чаще всего им приходится доверять.
Сферы применения
Помимо определения удлинений, которые вызываются действием внешних нагрузок на конструктивные части оборудования, тензорезисторы могут использоваться для измерения собственных (остаточных) напряжений в момент релаксации, такое явление возникает при сверлении или резке некоторых конструкционные детали и узлы.
Тонкопленочные преобразователи давления, изготовленные методом осаждения из паровой фазы или напылением, используются для обнаружения сил, напряжений, крутящих моментов и деформаций в изоляционных элементах, размещенных непосредственно на полированных мембранах.
Резистивные элементы калибруются с помощью лазерной подстройки, что повышает точность измерений. Диффузионные полупроводниковые датчики давления могут проникать через чувствительную к давлению кремниевую мембрану и не связаны со свойствами поверхности. Это позволяет использовать их в миниатюрных тензометрических технологиях.
Основным преимуществом тонкопленочных преобразователей является устранение нестабильности, вызванной клеем.
Тонкопленочная технология считается более совершенной и обеспечивает отличную стабильность при нулевой температуре и полную чувствительность, а также высокую износостойкость.
Обычно используемые условия для использования тензорезисторов перечислены ниже.
Измерение веса
Необходим в напольных системах, с помощью которых определяется масса груза. Для них характерны минимальные требования к точности установки и регулировки.
Измерение давления
Используется в технологических линиях обработки металлов давлением. При этом также измеряются рабочие силы и упругие деформации. Датчики снабжены измерителем усилия с цифровой индикацией.
Измерение крутящего момента
Используется на испытательном оборудовании АЗС для легкового транспорта.
Определение ускорения
Иногда его используют в экспериментальных лабораториях, где проектируют и испытывают высокоскоростную железнодорожную и безрельсовую технику.
Контроль перемещения
Наиболее распространенными областями использования являются сейсмологические станции и фундаменты высокоточной массивной аппаратуры, в основном для энергетики.
Как поступить, если весы вышли из строя
Бывают ситуации, когда электронное устройство отказывается работать. Причина поломки скорее всего кроется в тензодатчиках.
Для каждой конструкции производителем предусмотрена максимально допустимая нагрузка. Поэтому при превышении допустимого веса рамы гнутся, вес выходит из строя. Достаточно просто расправить рамы, и агрегат готов к дальнейшей эксплуатации.
Если визуально определить причину поломки не представляется возможным, можно диагностировать проблему с помощью тестера. В этом случае нужно отключить датчик от платы, а затем измерить сопротивление во всех трех проводах. Если параметры в какой-либо части устройства не соответствуют нормам, причина найдена. В противном случае вам придется отсоединить микроскопическую пластину.
Это важно знать. Пластину снимаем аккуратно, так как любое механическое повреждение может спровоцировать полную неработоспособность устройства.
Внутри устройства находим медную пластину с проводами. Иногда причиной ошибки может быть обрыв провода. Тогда достаточно просто восстановить вложение. Но бывает и хуже, датчик выходит из строя и его приходится менять. Сменить датчик несложно, но после установки нового элемента шкалу необходимо откалибровать. В противном случае работоспособность не будет восстановлена.
Калибровка
Микроскопический принцип работы тензодатчика своеобразен и особенен; в одной партии и от одного производителя датчики все равно будут отличаться мостовыми соединениями. Небольшой баг, но будет присутствовать. Калибровка поможет устранить это.
В случае неправильной калибровки или неправильного измерения датчик можно вывести из рабочего процесса, просто сняв с него нагрузку или воспользовавшись резисторами для имитации требуемых параметров. Работоспособность механизма будет восстановлена, а благодаря тому, что общая масса рассчитывается путем суммирования значений, измерения будут проводиться точно.
Есть еще один способ — отключить неисправный элемент. Тогда механизм примет свое измерение за нулевое значение.
Узнать причину ошибки и устранить ее можно самостоятельно непрофессионалу, так как электронные весы представляют собой простую комбинацию резисторов и платы.
Тензодатчики веса
Во-первых, это тензодатчики. Будь то напольные весы женщин, сидящих на диете, неизбежное электронное оборудование в современных магазинах, системы взвешивания промышленных транспортных средств на строительных площадках или платформенные весы, тензометрические датчики незаменимы. На данный момент выбор тензодатчиков настолько велик, что любой заинтересованный потребитель сможет легко подобрать необходимую комплектацию для своего конкретного случая.
Остановимся на нескольких конструктивных типах промышленных тензодатчиков.
Консольные блоки из алюминия или стали. Диапазон весовых нагрузок для этих устройств достаточно широк, а спектр бытовых решений позволяет использовать их во многих хозяйственно-бытовых помещениях.
Стальные тензорезисторы типа «бочонок» или «шайба». Обладают хорошими показателями герметичности и защиты устройства от внешних воздействий. Это также относится к материалу оболочки и изоляции электрического кабеля.
Регистраторы веса балки. Область применения — измерение весовых нагрузок на мостовые и платформенные конструкции.
Регистрируются деформации изгиба и сдвига. Зафиксировать натяжение креплений помогут тензодатчики на растяжение, а допустимость висячей нагрузки на стройплощадке S-образная.
Плюсы и минусы
Тензорные датчики компактны, просты в установке, практически не ограничивают работоспособность конструкции, на которой установлены. В то же время они часто подвержены влиянию старения, чувствительны к тепловым нагрузкам, а иногда характеризуются повышенной дисперсией собираемых данных. Тонкопленочные тензодатчики также характеризуются малой мощностью, ограниченной частотной характеристикой и влиянием высокого напряжения на точность получаемых результатов.
Чаще других видов их применяют в качестве весовых, а также для определения комплекса коэффициентов мощности, постоянно изменяющихся в процессе эксплуатации оборудования или сооружений.
Преимущества тензометрических технологий:
- Быстрое время отклика;
- Легко компенсировать влияние температуры;
- Низкая чувствительность к динамическим воздействиям.
- Невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерения;
- Снижение точности показаний из-за вибраций;
- Необходимость точного согласования с окружающей средой;
- Сложность первоначальной настройки.
Выпуск современных тензодатчиков регламентируется требованиями ГОСТ 21616-91.
Резистивный преобразователь является основным компонентом высокоточных приборов и приборов. Датчик изготовлен из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. В результате деформации резистор меняет свое сопротивление, посылая сигнал на индикатор.
Назначение
Тензодатчик устанавливается в различные устройства и агрегаты для контроля реакции на физическое воздействие. Сегодня сфера его применения охватывает широкий спектр отраслей и народного хозяйства, где он используется для:
- Весы — устанавливаются в электронные весы различных типов.
- Определения ускорения — используются при тестировании транспортных средств.
- Измерения давления — распространены при обработке поверхности, контроле силы, механических применениях и т д
- Управление движением — фиксируйте движение строительных элементов, фундаментов, сейсмологических блоков и т д
- Измерение крутящего момента — используется в мастерской, при техническом обслуживании и т д.
Материал корпуса
При выпуске электронных весов производители уделяют особое внимание корпусу, так как при его деформации ремонту устройства не подлежит. В основном для изготовления корпуса используются такие материалы, как пластик, металл или стекло.
Для настольных весов производители отдают предпочтение пластику или стеклу, а для весов промышленных напольных весов металл более прочен и долговечен, способен выдерживать большие нагрузки. Желательно, чтобы металлический корпус был окрашен или обработан антикоррозийным средством.
Преимущества и недостатки тензодатчиков
Тензорезисторы получили широкое распространение благодаря своим свойствам:
Читайте также: Как определить фазу и ноль индикаторными отвертками разных модификаций
- возможность монолитного соединения тензорезистора с исследуемой деталью;
- малая толщина измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
- легкое крепление, как на ровных, так и на криволинейных поверхностях;
- возможность измерения динамических деформаций, изменяющихся с частотой до 50 000 Гц;
- возможность проведения измерений в сложных условиях внешней среды в диапазоне температур от -240 до +1100˚С;
- возможность измерения параметров одновременно во многих точках деталей;
- возможность измерения деформации объектов, находящихся на больших расстояниях от тензометрических систем;
- возможность измерения деформаций в подвижных (вращающихся) деталях.
Из недостатков следует отметить:
- влияние погодных условий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
- незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требуют применения усилителей сигнала.
- при работе тензорезисторов в условиях высоких температур или агрессивных сред требуются специальные меры по их защите.
Микросхема INA125
Там же приведена схема подключения тензорезистора мостового типа к этой микросхеме. Помимо приборного усилителя в эту микросхему включен ИОН — источник опорного напряжения для управления мостом тензодатчика. Выходное напряжение ИОН можно изменять дискретно, подключая к соответствующим выводам микросхемы, вывод 4. Эти же напряжения можно использовать в качестве опорного напряжения для АЦП при оцифровке выходного напряжения сигнала.
Это уменьшает ошибки оцифровки из-за колебаний напряжения питания устройства. Еще одним преимуществом этой микросхемы является то, что необходимый коэффициент усиления приборного усилителя (масштабирование) задается всего одним резистором, на схеме — R1.
Микросхема и резистор, задающий коэффициент усиления инструментального усилителя, смонтированы на небольшой печатной плате, рисунок 3.
Для проверки всей схемы использовался быстрособранный цифровой вольтметр, состоящий из преобразователя АЦП и микроконтроллера с индикатором. В качестве АЦП использовалась микросхема ADS1286, это 12-разрядный АЦП, позволяющий оцифровывать напряжение сигнала на выходе INA125 с точностью до 0,001В. В программу контроллера введена подпрограмма коррекции нуля. А потом оказалось, что зона чувствительности моего сенсора начинается от пятидесяти граммов, примерно.
Затем нелинейная часть доходит до 370 граммов. Затем начинается линейный участок. Проверить точность линеаризации не представлялось возможным из-за отсутствия точных весов. Если датчик используется как часть цифровых весов, последние должны быть предварительно загружены 370 граммами. Повторяемость в целом неплохая. Работу индикаций при длительных нагрузках особо не проверял.
А вот при нагрузке 1000 грамм через 9 часов непрерывного взвешивания показание изменилось на 1 грамм. Это мое первое знакомство с этими датчиками, поэтому однозначного конкретного вывода сделать не могу. Но я считаю, что есть определенные места, где можно использовать эти «сверхточные» устройства.
Основные схемы подключения
Рассмотрим это на примере подключения тензодатчиков к бытовым или промышленным весам. Стандартный тензодатчик для весов имеет четыре разноцветных провода: два входа — питание (+Ex, -Ex), два других — выходы измерения (+Sig, -Sig). Также есть варианты с пятью проводами, где дополнительный провод выполняет роль экрана для всех остальных. Суть работы весового датчика балочного типа достаточно проста. На входы подается ток, а с выходов снимается напряжение. Значение напряжения зависит от приложенной нагрузки на измерительный датчик.
Выбрать тензометрический датчик
Как и любой другой прецизионный прибор, тензодатчики имеют ряд важных технических и пользовательских критериев, которым должен соответствовать покупатель, желающий выбрать для себя подходящий прибор:
- Материал. Основная роль материала, из которого изготовлены корпус и узлы датчика, сводится к его прочности и способности выдерживать механические нагрузки. Большинство разновидностей устройств изготавливаются из стали, либо легированной, либо нержавеющей. Исключение составляют недорогие классы одноточечных тензодатчиков, изготовленные из алюминия, что не умаляет их технических качеств. Однако тот или иной тип материала оказывает влияние на конечную стоимость устройства.
- Схема подключения тензорезистора. Здесь приходится выбирать между четырех- и шестипроводной схемой подключения датчика. Как правило, последнее необходимо, если прибор устанавливается на измерительный прибор с большим количеством соседних датчиков, уровень сопротивления которых существенно отличается от установленной модели.
- Максимальный предел измерения. Самое главное, что нужно знать об этом критерии, это то, что он определяет механическую прочность и грузоподъемность груза, контролируемого тензодатчиком. Если измеренная нагрузка серьезно превышает LRL, существует риск повреждения и деформации самого датчика. Поэтому следует учитывать, для каких целей изготавливаются конкретные весы и какие предметы предстоит на них измерять.
- Класс точности измерения. Этот параметр обозначается буквами латинского алфавита и цифрами от D1 до C6. Большинство востребованных тензорезисторов имеют погрешность в пределах указанных классов. При этом наиболее распространенным является класс С3, к которому относятся наиболее доступные измерительные приборы.
- Способ крепления. По этому критерию выбор достаточно разнообразен и должен основываться на удобстве пользователя. Варианты включают датчики с фланцевым креплением, линейные и боковые датчики. Возможна также установка тензодатчиков через внутреннюю или наружную резьбу, в зависимости от того, что позволяет конструкция узла, в котором он монтируется.
- Тип защиты корпуса от вредных воздействий окружающей среды. Если измерительный прибор должен работать в экстремальных условиях или в другой среде, наполненной агрессивными факторами, необходимо предусмотреть соответствующую защиту на весоизмерительной ячейке. Например, выбирайте устройство с устойчивостью к химическому воздействию, экстремальным температурам, грязи и пыли, электромагнитному воздействию и так далее.
- Номинальный выходной сигнал выражается в мВ/В. Именно этот сигнал посылается и преобразуется тензодатчиком в момент измерения нагрузки и ее деформации.
- Гистерезис – это максимальная мера разницы между измеренными значениями одной нагрузки по мере ее увеличения от нуля и отклонения от номинального уровня.
Поэтому выбор тензодатчика требует тщательного изучения его технических параметров и понимания принципов работы устройства, чтобы иметь представление о том, какие показатели имеют наибольшее значение при выборе.
1) Проверка сопротивления изоляции.
Чтобы выполнить этот тест, подключите мегомметр к кабелю тензодатчика и проверьте ток утечки между корпусом тензодатчика и частями, находящимися под напряжением. Для проверки тензометрических цепей Кели допускается мегаомметр с напряжением не более 50В постоянного тока.
Для работающего тензодатчика значение измерений не должно быть ниже 5 МОм. Если значение сопротивления изоляции меньше 1 кОм, это свидетельствует о явном коротком замыкании. Короткое замыкание может быть между корпусом тензорезистора и токоведущими частями (тензорезисторами), а также в кабеле. Если в кабеле произошло короткое замыкание, его можно заменить, если на это указывает конструкция тензодатчика.
Конструкция
В качестве примера рассмотрим простейший вариант тензорезистора, где в качестве чувствительного элемента выступает тензорезистор. Структурно его можно представить в виде тонкой эластичной нити или пленки, распределенной по контролируемой поверхности.
Работа тензодатчика основана на законе Гука, который гласит, что изменение электрического сопротивления по отношению к начальному положению элемента пропорционально растяжению или сжатию датчика. Руководствуясь этим принципом, определяют коэффициент пропорциональности:
К = ∆l / l = ∆R / R
Где:
- К — коэффициент пропорциональности;
- Δl — изменение длины при деформации;
- l — длина измеряемого элемента в состоянии покоя;
- ΔR — изменение величины сопротивления при деформации;
- R — значение сопротивления тензорезистора в нормальном положении.
На практике это реализуется следующим образом (рисунок 1):
Рис. 1. Блок тензодатчиков
В состоянии покоя дорожки тензодатчика имеют определенное сечение и длину проводника. Сопротивление всего резистивного элемента в тензодатчике будет определяться по формуле:
R = (p*l)/S, где
- ρ — удельное сопротивление материала, как правило, в качестве металла с постоянным удельным сопротивлением используется константан;
- l — длина провода тензодатчика;
- S — поперечное сечение проводника тензорезистора.
Таким образом, при удлинении тензодатчика длина токопроводящих дорожек увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. В результате омическое сопротивление тензорезистора увеличится. При его сжатии будет происходить обратный процесс – длина токопроводящих элементов будет уменьшаться, а их сечение увеличиваться. В результате сжатия сопротивление тензодатчика уменьшится, что лежит в основе принципа его работы.
Примеры использования тензометрических датчиков
- весовой элемент.
- измерение сил деформации при обработке металлов давлением на штамповочных и прокатных станах.
- контроль нагрузочного режима строительных конструкций и сооружений в процессе строительства и эксплуатации.
- высокотемпературные датчики из жаропрочной легированной стали для металлургических предприятий.
- с эластичным элементом из нержавеющей стали для измерений в химически агрессивных средах.
- для измерения давления в нефте- и газопроводах.
Простота, удобство и технологичность тензодатчиков являются основными факторами для их дальнейшего активного внедрения, как в метрологические процессы, так и в быт в качестве измерительных элементов в бытовых приборах.
Характеристики тензорезисторов
База — длина проводника сетки (0,2-150 мм). Номинальное сопротивление R — значение активного сопротивления (10-1000 Ом).
Рабочий ток питания Ip – это ток, при котором тензорезистор заметно не нагревается. Перегрев изменяет свойства материалов чувствительного элемента, основания и клеевого слоя, искажает показания. Тензометрический коэффициент: s = (∆R/R)/(∆L/L), где R и L — электрическое сопротивление и длина ненагруженного датчика соответственно; ∆R и ∆L — изменение сопротивления и деформация под действием внешней силы.
Для разных материалов она может быть положительной (R увеличивается при растяжении) и отрицательной (R увеличивается при сжатии). Величина s для различных металлов изменяется от -12,6 до +6.
Классификация тензометрического оборудования
Все тензометрическое оборудование можно разделить на классы, характеризующие сложность и уровень вложенности технического узла:
Датчик деформации. Это основная единица тензометрического оборудования. Именно на основе его замеров строится весь последующий рабочий цикл. В то же время сам тензорезистор в большинстве случаев не является полноценным измерительным прибором, и для того, чтобы он начал работать, требуется тензодатчик. | |
Загрузочная ячейка. Это основной измерительный инструмент. Он представляет собой тензодатчик в специальном корпусе, который меняет форму в зависимости от требований эксплуатации. Крышка изготовлена из специальной стали, что обеспечивает достаточную подвеску, возврат тензорезистора в исходное положение и линейность показаний.
Качество корпуса тензодатчика является одним из наиболее важных критериев работы тензометрического оборудования. Достаточно сказать, что именно состав корпуса и качество стали держится в секрете всеми производителями тензорезисторов, а не конструкция. |
|
Терминал. Вторичный измерительный блок, который преобразует выходной сигнал тензодатчиков в результат измерения и отображает его на цифровом экране. Терминал может работать в ограниченном диапазоне точности, как и тензодатчики, поэтому необходимо подобрать модель, которая будет правильно интерпретировать показания измерительного прибора.
Цифровые терминалы обычно связаны с несколькими типами датчиков через протокол передачи данных и не могут использоваться в других измерительных системах. Как и наоборот. |
|
Измерительный инструмент. Это комплекс промышленного оборудования, состоящий из тензодатчиков, грузоприемной платформы и терминала, устанавливаемых на конкретный объект — весы, дозаторы, динамометр, станок, пресс. При этом измерительный прибор является единственным видом измерительного оборудования, сертифицированным для измерения массы груза. Группа тензодатчиков не может называться весами, если она не поверена и не откалибрована, даже если датчики и терминал сертифицированы. | |
Периферийное оборудование. Сюда входят удаленные мониторы, видеокамеры для фиксации результатов взвешивания, программное обеспечение. Они расширяют возможности тензометрического оборудования, но не участвуют непосредственно в процессе измерения. |