"Præcision er kongernes høflighed!" I dag er denne franske aforisme fra middelalderen kun blevet mere relevant. Instrumenter baseret på strain gauge-teknologi anvendes i stigende grad til præcise måleopgaver i industrien og i private husholdninger.
Indhold
Hvad er strain gauge-teknologi, og hvad er belastningsceller til?
En spændingsmåler (fra latin tensus - spændt) er en metode og teknik til måling af spændings/forspændingstilstanden i den målte genstand eller struktur. Pointen er, at det er umuligt at måle den mekaniske spænding direkte, så opgaven er at måle objektets deformation og beregne spændingen ved hjælp af særlige teknikker, der tager hensyn til materialets fysiske egenskaber.
Forstrækningsmålere er baseret på belastningseffekten, som er et fast materiales egenskab til at ændre modstandsdygtighed under forskellige deformationer. Spændingsmålere er anordninger, der måler den elastiske deformation af et fast legeme og omdanner den til et elektrisk signal. Denne proces opstår, når modstanden i sensorens leder ændres, når den strækkes og komprimeres. De er et centralt element i apparater til måling af spændinger i faste stoffer (f.eks. maskindele, konstruktioner, bygninger).
Design og funktionsprincip
Kernen i en strækningsmåler er en strækningsmåler, der er udstyret med specielle kontakter, som er fastgjort på forsiden af målecellen. Under måleprocessen berører de følsomme kontakter på panelet genstanden. Denne belastning måles og omdannes til et elektrisk signal, som overføres til belastningsmålerens behandlings- og visningselementer.
Afhængigt af anvendelsesområdet er sensorer forskellige både i type og i typen af målte værdier. En vigtig faktor er den nødvendige målingsnøjagtighed. F.eks. er vejecellen på en lastbilvægt i en bagerforretning ikke noget match for en elektronisk apoteksvægt, hvor hver hundrededel af et gram er vigtig.
Lad os se nærmere på de forskellige typer og typer af moderne spændingsmålere.
Drejningsmoment-sensorer
Momentfølere er beregnet til at måle drejningsmomentet på roterende dele som f.eks. krumtapakslen i en motor eller ratstammen. Momentfølere kan bestemme både statiske og dynamiske drejningsmomenter med eller uden kontakt (telemetrisk).
Belastningsceller af bjælke-, cantilever- og kanttype
Disse typer sensorer er normalt baseret på et parallelogramdesign med et integreret bøjningselement for at opnå høj følsomhed og linearitet i målingen. De er fastgjort til de følsomme dele af sensorens elastiske element og er forbundet i et fuldt broarrangement.
Konstruktionsmæssigt har bærespændingsmåleren specielle huller til ujævn belastningsfordeling og registrering af tryk- og trækspændinger. For at opnå den maksimale effekt orienteres strækningsmålerne nøje til bjælkens overflade på dens tyndeste punkt ved hjælp af særlige markeringer. Meget nøjagtige og pålidelige lastceller af denne type anvendes til at opbygge multi-sensor målesystemer i platform- eller tragtvægte. De anvendes også i doseringsvægte, bulk- og væskefyldere, kabelspændingsmålere og andre belastningsceller.
Træk- og trykbelastningsceller
Træk- og trykbelastningsceller er generelt S-formede og fremstillet af aluminium eller rustfrit stål. Designet til tragtvægte og doseringsmaskiner med et måleområde fra 0,2 til 20 tons. S-type træk- og kompressionsbelastningsceller kan anvendes i maskiner til produktion af kabler, stof og fibre til overvågning af disse materialers trækstyrke.
Tråd- og folietrækkemåler
Wire-wound Hjuloprullede strækmålere er fremstillet i form af spoler af tråd med lille diameter og er fastgjort til det elastiske element eller det emne, der skal afprøves, ved hjælp af lim. Deres kendetegn er:
- nem fremstilling;
- lineær belastningsafhængighed;
- Små dimensioner og pris.
Ulemperne er lav følsomhed, temperaturens og fugtighedens indflydelse på målefejlen og muligheden for kun at anvende dem inden for elastisk deformation.
Folie Deformationsmålere er i øjeblikket den mest almindelige type deformationsmålere på grund af deres høje metrologiske egenskaber og fremstillingsvenlighed. Dette er muligt takket være fotolitografisk teknologi til fremstilling af dem. En avanceret teknologi gør det muligt at fremstille enkeltstående spændingsmålere med en bund så lille som 0,3 mm, specielle spændingsmålersokler og spændingsmålerkæder med et bredt driftstemperaturområde fra -240 til +1100ºС, afhængigt af egenskaberne af de materialer, der anvendes i målegitteret.
Fordele og ulemper ved belastningsceller
Deformationsmålere er meget udbredte på grund af deres egenskaber:
- Muligheden for en monolitisk forbindelse mellem spændingsmåleren og det undersøgte emne;
- Lille tykkelse af måleelementet, hvilket giver høj nøjagtighed af målingerne med en fejl på 1-3 %;
- nem montering, både på flade og buede overflader;
- evnen til at måle dynamiske deformationer med en frekvens på op til 50.000 Hz;
- evnen til at måle under vanskelige miljøforhold i temperaturområdet fra -240 til +1100˚C;
- Mulighed for at måle parametre samtidig på mange punkter i delene;
- mulighed for at måle deformationer af objekter, der befinder sig i store afstande fra belastningsmålesystemer;
- mulighed for måling af belastning i bevægelige (roterende) dele.
Ulemperne er:
- påvirkningen af meteorologiske forhold (temperatur og fugtighed) på sensorernes følsomhed;
- ubetydelige modstandsændringer af måleelementerne (ca. 1 %) kræver brug af signalforstærkere.
- Når strækmålere anvendes i omgivelser med høje temperaturer eller aggressive miljøer, er det nødvendigt med særlige foranstaltninger til beskyttelse af dem.
Grundlæggende forbindelsesdiagrammer
Lad os se på dette med et eksempel på tilslutning af strækmålere til husholdnings- eller industrivægte. En standardlastcelle til vægte har fire forskelligt farvede ledninger: to indgange er strømforsyning (+Ex, -Ex), de to andre er måleudgange (+Sig, -Sig). Der findes også varianter med fem ledninger, hvor en ekstra ledning tjener som afskærmning for alle andre ledninger. Betjeningen af en belastningscelle af bjælketypen er ret ligetil. Der tilføres strøm til indgangene, og der tages spænding fra udgangene. Størrelsen af spændingen afhænger af den påførte belastning på målesensoren.
Hvis ledningslængden fra belastningscellen til ADC-enheden er betydelig, vil ledningsmodstanden i selve ledningerne påvirke skalaens aflæsning. I dette tilfælde er det tilrådeligt at tilføje et feedbackkredsløb, som kompenserer for spændingsfaldet ved at korrigere for den ledningsmodstandsfejl, der er indført i målekredsløbet. I dette tilfælde vil ledningsdiagrammet have tre par ledninger: forsyning, måling og tabskompensation.
Eksempler på anvendelser af strækmålere
- En komponent i opbygningen af skalaer.
- Måling af deformationskræfter ved metalformning på smedningspresser og valseværker.
- Overvågning af spændings/forstrækningstilstande i bygningsstrukturer og konstruktioner under opførelse og drift.
- Højtemperatursensorer af varmebestandigt legeret stål til metallurgiske anlæg.
- med elastisk element i rustfrit stål til målinger i kemisk aggressive miljøer.
- Til trykmåling i olie- og gasrørledninger.
Belastningscellers enkelhed, bekvemmelighed og forarbejdbarhed er de vigtigste faktorer for deres yderligere aktive anvendelse, både i metrologiske processer og i dagligdagen som måleelementer i husholdningsapparater.
Relaterede artikler:
