"Přesnost je zdvořilost králů!" V dnešní době je tento středověký francouzský aforismus stále aktuálnější. Přístroje založené na tenzometrické technologii se stále častěji používají pro přesná měření v průmyslu i domácnostech.
Obsah
Co je technologie tenzometrů a k čemu slouží snímače zatížení?
Tenzometrie (z latinského tensus - napjatý) je metoda a technika měření stavu napětí a deformace měřeného objektu nebo konstrukce. Jde o to, že mechanické napětí nelze měřit přímo, takže úkolem je změřit deformaci objektu a napětí vypočítat pomocí speciálních technik, které zohledňují fyzikální vlastnosti materiálu.
Tenzometry jsou založeny na deformačním efektu, což je vlastnost pevných materiálů měnit svůj odpor při různých deformacích. Tenzometry jsou zařízení, která měří pružnou deformaci pevného tělesa a převádějí ji na elektrický signál. Tento proces probíhá tak, že se mění odpor vodiče senzoru při jeho natahování a stlačování. Jsou základním prvkem zařízení pro měření napětí v pevných látkách (např. strojních součástech, konstrukcích, budovách).
Konstrukce a princip činnosti
Srdcem tenzometru je tenzometrický snímač, který je vybaven speciálními kontakty připevněnými na přední straně měřicí buňky. Během měření se citlivé kontakty na panelu dotýkají objektu. Tato deformace se měří a převádí na elektrický signál, který se přenáší do zpracovatelských a zobrazovacích prvků tenzometru.
V závislosti na oblasti funkčního využití se snímače liší jak typem, tak druhem měřené hodnoty. Důležitým faktorem je požadovaná přesnost měření. Například vážicí čidlo nákladní váhy v pekárně se nevyrovná elektronické lékárenské váze, kde je důležitá každá setina gramu.
Podívejme se blíže na typy a druhy moderních tenzometrů.
Snímače točivého momentu
Snímače točivého momentu jsou určeny k měření točivého momentu rotujících částí, jako je kliková hřídel motoru nebo sloupek řízení. Snímače točivého momentu mohou určovat statický i dynamický točivý moment kontaktním nebo bezkontaktním (telemetrickým) způsobem.
Nosníkové, konzolové a okrajové zatěžovací buňky
Tyto typy senzorů jsou obvykle založeny na paralelogramové konstrukci s integrovaným ohybovým prvkem pro vysokou citlivost a linearitu měření. Tenzometry jsou připevněny k citlivým částem pružného prvku snímače a jsou zapojeny v plném můstkovém uspořádání.
Konstrukčně má tenzometr nosníku speciální otvory pro nerovnoměrné rozložení zatížení a detekci tlakových a tahových deformací. Pro dosažení maximálního účinku jsou tenzometry orientovány přesně k povrchu nosníku v jeho nejtenčím místě pomocí speciálních značek. Vysoce přesné a spolehlivé snímače zatížení tohoto typu se používají k vytvoření vícesenzorových měřicích systémů v plošinových nebo zásobníkových vahách. Používají se také v dávkovacích váhách, plničkách sypkých hmot a kapalin, měřičích napětí kabelů a dalších snímačích zatížení.
Snímače zatížení v tahu a tlaku
Snímače zatížení v tahu a tlaku mají obvykle tvar písmene S a jsou vyrobeny z hliníku nebo nerezové oceli. Určeno pro zásobníkové váhy a váhy s měřicím rozsahem 0,2 až 20 tun. Snímače tahu a tlaku typu S lze použít ve strojích na výrobu kabelů, tkanin a vláken ke sledování tahové síly těchto materiálů.
Drátové a fóliové tenzometry
Drátěné vinutí Tenzometry navíjené na kolečka jsou vyrobeny ve formě cívek z drátu o malém průměru a jsou připevněny ke zkoušenému pružnému prvku nebo obrobku pomocí lepidla. Jejich charakteristiky jsou:
- snadnost výroby;
- lineární závislost na deformaci;
- Malé rozměry a cena.
Nevýhodou je nízká citlivost, vliv teploty a vlhkosti na chybu měření, možnost použití pouze v oblasti pružné deformace.
Fólie Tenzometry jsou v současnosti nejrozšířenějším typem tenzometrů díky svým vysokým metrologickým vlastnostem a možnosti výroby. To je možné díky fotolitografické technologii jejich výroby. Nejmodernější technologie umožňuje vyrábět jednotlivé tenzometry se základnou 0,3 mm, speciální tenzometrická pouzdra a tenzometrické řetězce s širokým rozsahem provozních teplot od -240 do +1100 ºС v závislosti na vlastnostech materiálů měřicí mřížky.
Výhody a nevýhody zatěžovacích buněk
Tenzometry jsou díky svým vlastnostem hojně využívány:
- Možnost monolitického spojení mezi tenzometrem a zkoumaným obrobkem;
- Malá tloušťka měřicího prvku, která umožňuje vysokou přesnost měření s chybou 1-3 %;
- snadná montáž na rovné i zakřivené povrchy;
- schopnost měřit dynamické deformace s frekvencí až 50 000 Hz;
- schopnost měřit v obtížných podmínkách prostředí v rozsahu teplot od -240 do +1100˚C;
- Možnost měřit parametry současně v mnoha bodech dílů;
- možnost měření deformací objektů umístěných ve velkých vzdálenostech od systémů měření tahu;
- možnost měření deformace v pohyblivých (rotujících) částech.
Nevýhody jsou následující:
- vliv meteorologických podmínek (teplota a vlhkost) na citlivost senzorů;
- nepatrné změny odporu měřicích prvků (přibližně 1 %) vyžadují použití zesilovačů signálu.
- Pokud tenzometry pracují ve vysokoteplotním nebo agresivním prostředí, je třeba přijmout zvláštní opatření na jejich ochranu.
Základní schémata připojení
Uvažujme o tom na příkladu připojení tenzometrů k domácím nebo průmyslovým váhám. Standardní snímač zatížení pro váhy má čtyři různě barevné vodiče: dva vstupy jsou napájecí (+Ex, -Ex), další dva jsou měřicí výstupy (+Sig, -Sig). Existují také varianty s pěti vodiči, kde další vodič slouží jako stínění pro všechny ostatní vodiče. Fungování nosníkové zatěžovací buňky je poměrně jednoduché. Na vstupy se přivádí napájení a z výstupů se odebírá napětí. Velikost napětí závisí na zatížení měřicího senzoru.
Pokud je délka vodiče od snímače zatížení k jednotce ADC značná, pak odpor samotných vodičů ovlivní údaj na stupnici. V tomto případě je vhodné přidat zpětnovazební obvod, který kompenzuje úbytek napětí korekcí chyby odporu vedení vnesené do měřicího obvodu. V tomto případě bude schéma zapojení obsahovat tři páry vodičů: napájecí, měřicí a kompenzační.
Příklady použití tenzometrů
- Součást konstrukce vah.
- Měření deformačních sil při tváření kovů na kovacích a válcovacích lisech.
- Sledování napěťově-deformačních stavů stavebních konstrukcí a stavebních objektů během jejich montáže a provozu.
- Vysokoteplotní senzory z žáruvzdorné legované oceli pro hutní provozy.
- s pružným prvkem z nerezové oceli pro měření v chemicky agresivním prostředí.
- Pro měření tlaku v ropovodech a plynovodech.
Jednoduchost, pohodlí a zpracovatelnost snímačů zatížení jsou hlavními faktory pro jejich další aktivní zavádění, a to jak v metrologických procesech, tak i při použití v každodenním životě jako měřicích prvků domácích spotřebičů.
Související články:
