"Η ακρίβεια είναι η ευγένεια των βασιλιάδων!" Σήμερα αυτός ο μεσαιωνικός γαλλικός αφορισμός γίνεται όλο και πιο επίκαιρος. Τα όργανα που βασίζονται στην τεχνολογία των μετρητών τάσης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για ακριβείς εργασίες μέτρησης στη βιομηχανία και στα ιδιωτικά νοικοκυριά.
Περιεχόμενα
Τι είναι η τεχνολογία μετρητών τάσης και τι είναι τα κύτταρα φορτίου;
Το Strain-gauge (από το λατινικό tensus - καταπονημένος) είναι μια μέθοδος και τεχνική για τη μέτρηση της κατάστασης τάσης-παραμόρφωσης του μετρούμενου αντικειμένου ή της δομής. Το θέμα είναι ότι είναι αδύνατο να μετρηθεί άμεσα η μηχανική τάση, οπότε το καθήκον είναι να μετρηθεί η παραμόρφωση του αντικειμένου και να υπολογιστεί η τάση χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές που λαμβάνουν υπόψη τις φυσικές ιδιότητες του υλικού.
Οι μετρητές παραμόρφωσης βασίζονται στο φαινόμενο της παραμόρφωσης, το οποίο είναι η ιδιότητα των στερεών υλικών να μεταβάλλουν την αντίστασή τους υπό διάφορες παραμορφώσεις. Οι μετρητές τάσης είναι συσκευές που μετρούν την ελαστική παραμόρφωση ενός στερεού σώματος και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρικό σήμα. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει όταν η αντίσταση του αγωγού του αισθητήρα μεταβάλλεται καθώς αυτός τεντώνεται και συμπιέζεται. Αποτελούν βασικό στοιχείο σε συσκευές μέτρησης των τάσεων σε στερεά σώματα (π.χ. μέρη μηχανών, κατασκευές, κτίρια).
Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας
Η καρδιά του μετρητή τάσης είναι ένας μετρητής τάσης, εφοδιασμένος με ειδικές επαφές που είναι προσαρτημένες στο μπροστινό μέρος της κυψέλης μέτρησης. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης οι ευαίσθητες επαφές στον πίνακα αγγίζουν το αντικείμενο. Αυτή η τάση μετράται και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα το οποίο μεταδίδεται στα στοιχεία επεξεργασίας και απεικόνισης του μετρητή τάσης.
Ανάλογα με τον τομέα λειτουργικής χρήσης, οι αισθητήρες διαφέρουν τόσο ως προς τον τύπο όσο και ως προς τον τύπο της μετρούμενης τιμής. Ένας σημαντικός παράγοντας είναι η απαιτούμενη ακρίβεια μέτρησης. Για παράδειγμα, η κυψέλη φορτίου μιας ζυγαριάς φορτηγού σε ένα κατάστημα αρτοποιίας δεν ταιριάζει με μια ηλεκτρονική ζυγαριά φαρμακείου, όπου κάθε εκατοστό του γραμμαρίου είναι σημαντικό.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στους τύπους και τα είδη των σύγχρονων μετρητών τάσης.
Αισθητήρες ροπής
Οι αισθητήρες ροπής έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση της ροπής σε περιστρεφόμενα μέρη, όπως ο στροφαλοφόρος άξονας ενός κινητήρα ή η κολώνα του τιμονιού. Οι αισθητήρες ροπής μπορούν να προσδιορίσουν τόσο τη στατική όσο και τη δυναμική ροπή με επαφή ή χωρίς επαφή (τηλεμετρικά).
Κελιά φορτίου τύπου δοκού, προβόλου και ακμής
Αυτοί οι τύποι αισθητήρων βασίζονται συνήθως σε παραλληλόγραμμο σχεδιασμό με ενσωματωμένο στοιχείο κάμψης για υψηλή ευαισθησία και γραμμικότητα της μέτρησης. Οι μετρητές τάσης είναι στερεωμένοι στα ευαίσθητα μέρη του ελαστικού στοιχείου του αισθητήρα και συνδέονται σε διάταξη πλήρους γέφυρας.
Δομικά, ο μετρητής παραμόρφωσης δοκού διαθέτει ειδικές οπές για την ανομοιόμορφη κατανομή του φορτίου και την ανίχνευση των θλιπτικών και εφελκυστικών παραμορφώσεων. Για μέγιστο αποτέλεσμα, οι μετρητές τάσης προσανατολίζονται αυστηρά στην επιφάνεια της δοκού στο λεπτότερο σημείο της με τη χρήση ειδικών σημάνσεων. Οι υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας κυψέλες φορτίου αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή συστημάτων μέτρησης πολλαπλών αισθητήρων σε ζυγαριές πλατφόρμας ή χοάνης. Χρησιμοποιούνται επίσης σε ζυγαριές δοσομέτρησης, χύδην και υγρούς πληρωτές, μετρητές τάσης καλωδίων και άλλες κυψέλες φορτίου.
Κύτταρα φορτίου εφελκυσμού και συμπίεσης
Οι κυψέλες φορτίου εφελκυσμού και συμπίεσης είναι γενικά σχήματος S, κατασκευασμένες από αλουμίνιο ή ανοξείδωτο χάλυβα. Σχεδιασμένο για ζυγαριές χοάνης και δοσομετρικές μηχανές με εύρος μέτρησης από 0,2 έως 20 τόνους. Οι κυψέλες φορτίου εφελκυσμού και συμπίεσης τύπου S μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μηχανές παραγωγής καλωδίων, υφασμάτων και ινών για την παρακολούθηση της δύναμης εφελκυσμού αυτών των υλικών.
Μετρητές τάσης καλωδίων και φύλλων
Συρματόσχοινο Οι μετρητές τάσης με τροχούς κατασκευάζονται με τη μορφή σπειρών σύρματος μικρής διαμέτρου και συνδέονται με το ελαστικό στοιχείο ή το προς δοκιμή τεμάχιο με κόλλα. Τα χαρακτηριστικά τους είναι:
- ευκολία κατασκευής,
- γραμμική εξάρτηση από την παραμόρφωση,
- Μικρές διαστάσεις και τιμή.
Τα μειονεκτήματα είναι η χαμηλή ευαισθησία, η επίδραση της θερμοκρασίας και της υγρασίας στο σφάλμα μέτρησης, η δυνατότητα εφαρμογής μόνο στον τομέα της ελαστικής παραμόρφωσης.
Φύλλο αλουμινίου Οι μετρητές τάσης είναι σήμερα ο πιο συνηθισμένος τύπος μετρητή τάσης λόγω των υψηλών μετρολογικών τους ιδιοτήτων και της κατασκευασιμότητάς τους. Αυτό καθίσταται εφικτό χάρη στη φωτολιθογραφική τεχνολογία κατασκευής τους. Μια τεχνολογία αιχμής επιτρέπει την κατασκευή μεμονωμένων μετρητών τάσης με βάση 0,3 mm, ειδικών υποδοχών μετρητών τάσης και αλυσίδων μετρητών τάσης με ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας από -240 έως +1100 ºС, ανάλογα με τις ιδιότητες των υλικών του πλέγματος μέτρησης.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των κυψελών φορτίου
Οι μετρητές τάσης χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω των ιδιοτήτων τους:
- Η δυνατότητα μονολιθικής σύνδεσης μεταξύ του μετρητή τάσης και του υπό μελέτη τεμαχίου,
- Μικρό πάχος του στοιχείου μέτρησης, το οποίο επιτρέπει υψηλή ακρίβεια μετρήσεων με σφάλμα 1-3 %,
- εύκολη τοποθέτηση, τόσο σε επίπεδες όσο και σε καμπύλες επιφάνειες,
- τη δυνατότητα μέτρησης δυναμικών παραμορφώσεων με συχνότητα έως και 50.000 Hz,
- δυνατότητα μέτρησης σε δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες στο εύρος θερμοκρασιών από -240 έως +1100˚C,
- Δυνατότητα ταυτόχρονης μέτρησης παραμέτρων σε πολλά σημεία των εξαρτημάτων,
- δυνατότητα μέτρησης παραμορφώσεων αντικειμένων που βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις από συστήματα μέτρησης τάσεων,
- δυνατότητα μέτρησης τάσεων σε κινούμενα (περιστρεφόμενα) μέρη.
Τα μειονεκτήματα είναι:
- την επίδραση των μετεωρολογικών συνθηκών (θερμοκρασία και υγρασία) στην ευαισθησία των αισθητήρων,
- ασήμαντες μεταβολές της αντίστασης των στοιχείων μέτρησης (περίπου 1%) απαιτούν τη χρήση ενισχυτών σήματος.
- Όταν οι μετρητές τάσης λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες ή σε επιθετικό περιβάλλον, απαιτούνται ειδικά μέτρα για την προστασία τους.
Βασικά διαγράμματα σύνδεσης
Ας το εξετάσουμε αυτό στο παράδειγμα της σύνδεσης των μετρητών τάσης με οικιακές ή βιομηχανικές ζυγαριές. Η τυπική κυψέλη φορτίου για ζυγαριές έχει τέσσερα καλώδια διαφορετικού χρώματος: δύο είσοδοι είναι η τροφοδοσία ρεύματος (+Ex, -Ex), οι άλλες δύο είναι έξοδοι μέτρησης (+Sig, -Sig). Υπάρχουν επίσης παραλλαγές με πέντε καλώδια, όπου ένα επιπλέον καλώδιο χρησιμεύει ως ασπίδα για όλα τα άλλα καλώδια. Η λειτουργία μιας κυψέλης φορτίου τύπου δοκού είναι αρκετά απλή. Η ισχύς εφαρμόζεται στις εισόδους και η τάση λαμβάνεται από τις εξόδους. Το μέγεθος της τάσης εξαρτάται από το φορτίο που εφαρμόζεται στον αισθητήρα μέτρησης.
Εάν το μήκος του καλωδίου από την κυψέλη φορτίου στη μονάδα ADC είναι σημαντικό, τότε η αντίσταση των ίδιων των καλωδίων θα επηρεάσει την ανάγνωση της κλίμακας. Σε αυτή την περίπτωση είναι σκόπιμο να προστεθεί ένα κύκλωμα ανατροφοδότησης, το οποίο αντισταθμίζει την πτώση τάσης διορθώνοντας το σφάλμα αντίστασης μολύβδου που εισάγεται στο κύκλωμα μέτρησης. Σε αυτή την περίπτωση το διάγραμμα καλωδίωσης θα έχει τρία ζεύγη καλωδίων: τροφοδοσία, μέτρηση και αντιστάθμιση απωλειών.
Παραδείγματα εφαρμογών μετρητών τάσης
- Ένα στοιχείο για την κατασκευή κλιμάκων.
- Μέτρηση των δυνάμεων παραμόρφωσης κατά τη διαμόρφωση μετάλλων σε πρέσες σφυρηλάτησης και έλασης.
- Παρακολούθηση της κατάστασης τάσεων-παραμορφώσεων των δομικών κατασκευών και κατασκευών κατά την ανέγερση και τη λειτουργία τους.
- Αισθητήρες υψηλής θερμοκρασίας από ανθεκτικό στη θερμότητα κραματωμένο χάλυβα για μεταλλουργικές εγκαταστάσεις.
- με ελαστικό στοιχείο από ανοξείδωτο χάλυβα για μετρήσεις σε χημικά επιθετικά περιβάλλοντα.
- Για τη μέτρηση της πίεσης σε αγωγούς πετρελαίου και φυσικού αερίου.
Η απλότητα, η ευκολία και η δυνατότητα επεξεργασίας των κυψελών φορτίου είναι οι κύριοι παράγοντες για την περαιτέρω ενεργή εφαρμογή τους, τόσο στις μετρολογικές διαδικασίες όσο και στη χρήση στην καθημερινή ζωή ως στοιχεία μέτρησης των οικιακών συσκευών.
Σχετικά άρθρα:
