"Tarkkuus on kuninkaiden kohteliaisuutta!" Nykyään tämä keskiaikainen ranskalainen aforismi on yhä ajankohtaisempi. Vetomittaritekniikkaan perustuvia laitteita käytetään yhä useammin tarkkoihin mittaustehtäviin teollisuudessa ja kotitalouksissa.
Sisältö
Mikä on venymismittaritekniikka ja mitä kuormitussolut ovat?
Strain-gauge (lat. tensus - jännitetty) on menetelmä ja tekniikka, jolla mitataan mitattavan kohteen tai rakenteen jännitys-venymä-tilaa. Mekaanista jännitystä on mahdotonta mitata suoraan, joten tehtävänä on mitata kappaleen muodonmuutos ja laskea jännitys käyttämällä erityisiä tekniikoita, joissa otetaan huomioon materiaalin fysikaaliset ominaisuudet.
Vetomittarit perustuvat venymisilmiöön, joka on kiinteiden materiaalien ominaisuus muuttaa kestävyyttään erilaisissa muodonmuutoksissa. Jännemittarit ovat laitteita, jotka mittaavat kiinteän kappaleen kimmoisaa muodonmuutosta ja muuttavat sen sähköiseksi signaaliksi. Tämä prosessi tapahtuu, kun anturin johtimen vastus muuttuu, kun sitä venytetään ja puristetaan. Ne ovat keskeinen osa kiinteissä aineissa (esim. koneenosissa, rakenteissa ja rakennuksissa) esiintyvien venymien mittaamiseen käytettäviä laitteita.
Rakenne ja toimintaperiaate
Vetomittarin ytimessä on venymäliuska, joka on varustettu mittauskennon etuosaan kiinnitetyillä erikoiskoskettimilla. Mittausprosessin aikana paneelin herkät koskettimet koskettavat kohdetta. Tämä venymä mitataan ja muunnetaan sähköiseksi signaaliksi, joka siirretään venymäanturin käsittely- ja näyttöelementteihin.
Toiminnallisesta käyttöalueesta riippuen anturit eroavat toisistaan sekä tyypiltään että mitattavan arvon tyypiltään. Tärkeä tekijä on vaadittava mittaustarkkuus. Esimerkiksi leipomon myymälän kuorma-autovaaka ei vastaa elektronista apteekkivaakaa, jossa jokainen gramman sadasosa on tärkeä.
Tutustutaanpa tarkemmin nykyaikaisten venymämittareiden tyyppeihin ja lajeihin.
Momenttianturit
Momenttianturit on suunniteltu mittaamaan pyörivien osien, kuten moottorin kampiakselin tai ohjauspylvään, vääntömomenttia. Momenttianturit voivat määrittää sekä staattisen että dynaamisen vääntömomentin kosketuksella tai kosketuksettomasti (telemetrisesti).
Palkki-, konsoli- ja reunatyyppiset kuormitussolut
Tämäntyyppiset anturit perustuvat yleensä rinnakkaisrakenteeseen, jossa on integroitu taivutuselementti, joka takaa suuren herkkyyden ja lineaarisen mittauksen. Venymäanturit on kiinnitetty anturin elastisen elementin herkkiin osiin ja kytketty täyteen siltajärjestelyyn.
Rakenteellisesti palkin venymämittarissa on erityiset reiät epätasaista kuormituksen jakautumista sekä puristus- ja vetojännitysten havaitsemista varten. Suurimman mahdollisen vaikutuksen aikaansaamiseksi venymämittarit suunnataan tiukasti palkin pintaan sen ohuimmassa kohdassa käyttäen erityisiä merkintöjä. Tämäntyyppisiä erittäin tarkkoja ja luotettavia kuormitussoluja käytetään monianturisten mittausjärjestelmien rakentamiseen lava- tai säiliövaakoissa. Niitä käytetään myös annostelupunnituksissa, irtotavaran ja nesteiden täyttölaitteissa, kaapelin jännitysmittareissa ja muissa kuormitussoluissa.
Veto- ja puristuskuormakennot
Veto- ja puristuskuormakennot ovat yleensä S-muotoisia, alumiinista tai ruostumattomasta teräksestä valmistettuja. Suunniteltu säiliövaakoihin ja mittalaitteisiin, joiden mittausalue on 0,2-20 tonnia. S-tyypin veto- ja puristuskuormitussoluja voidaan käyttää kaapelin, kankaan ja kuitujen tuotantokoneissa näiden materiaalien vetovoiman valvomiseksi.
Lankojen ja kalvojen venymämittarit
Lankakierre Pyörökäämityt venymämittarit valmistetaan halkaisijaltaan pienen langan käämeiksi, ja ne kiinnitetään testattavaan kimmoiseen elementtiin tai työkappaleeseen liiman avulla. Niiden ominaisuudet ovat seuraavat:
- valmistuksen helppous;
- lineaarinen rasitusriippuvuus;
- Pienet mitat ja hinta.
Haittapuolina ovat alhainen herkkyys, lämpötilan ja kosteuden vaikutus mittausvirheeseen sekä mahdollisuus soveltaa vain kimmoisan muodonmuutoksen alalla.
Kalvo venymäanturit ovat tällä hetkellä yleisin venymäanturityyppi niiden korkeiden metrologisten ominaisuuksien ja valmistettavuuden vuoksi. Tämä on mahdollista niiden valmistuksessa käytettävän fotolitografiatekniikan ansiosta. Huipputekniikan ansiosta voidaan valmistaa yksittäisiä 0,3 mm:n pohjalla olevia venymäantureita, erityisiä venymäanturipistorasioita ja venymäanturiketjuja, joiden käyttölämpötila-alue on laaja, -240 - +1100 ºC, mittausritilän materiaalien ominaisuuksista riippuen.
Kuormitussolujen edut ja haitat
Jännemittareita käytetään laajalti niiden ominaisuuksien vuoksi:
- Mahdollisuus monoliittiseen yhteyteen venymäliuska-anturin ja tutkittavan työkappaleen välillä;
- Mittauselementin pieni paksuus, joka mahdollistaa mittausten suuren tarkkuuden 1-3 %:n virheellä;
- helppo asentaa sekä tasaisille että kaareville pinnoille;
- kyky mitata dynaamisia muodonmuutoksia jopa 50 000 Hz:n taajuudella;
- kyky mitata vaikeissa ympäristöolosuhteissa lämpötila-alueella -240 - +1100˚C;
- Mahdollisuus mitata parametreja samanaikaisesti useista osien kohdista;
- mahdollisuus mitata suurella etäisyydellä rasitusmittausjärjestelmistä sijaitsevien kohteiden muodonmuutoksia;
- mahdollisuus mitata venymää liikkuvissa (pyörivissä) osissa.
Haitat ovat:
- sääolosuhteiden (lämpötila ja kosteus) vaikutus antureiden herkkyyteen;
- mittauselementtien vähäiset vastusmuutokset (noin 1 %) edellyttävät signaalivahvistimien käyttöä.
- Kun venymäanturit toimivat korkeissa lämpötiloissa tai aggressiivisessa ympäristössä, niiden suojaaminen edellyttää erityistoimenpiteitä.
Peruskytkentäkaaviot
Tarkastellaan tätä esimerkkinä kotitalous- tai teollisuusvaakoihin liitettävistä venymäliuskoista. Vaa'an vakiokuormituskennossa on neljä eriväristä johtoa: kaksi tuloa on virransyöttö (+Ex, -Ex), kaksi muuta ovat mittauslähtöjä (+Sig, -Sig). On olemassa myös viisijohtimisia vaihtoehtoja, joissa ylimääräinen johdin toimii kaikkien muiden johtojen suojana. Palkkityyppisen kuormituskennon toiminta on melko suoraviivaista. Tuloihin syötetään virtaa, ja ulostuloista otetaan jännite. Jännitteen suuruus riippuu mittausanturiin kohdistuvasta kuormituksesta.
Jos langan pituus kuormituskennosta ADC-yksikköön on merkittävä, itse johtojen vastus vaikuttaa asteikon lukemaan. Tässä tapauksessa on suositeltavaa lisätä takaisinkytkentäpiiri, joka kompensoi jännitehäviön korjaamalla mittauspiiriin johdinresistanssin aiheuttaman virheen. Tällöin kytkentäkaaviossa on kolme johdinparia: syöttö, mittaus ja häviön kompensointi.
Esimerkkejä venymäliuskojen sovelluksista
- Asteikkojen rakentamiseen liittyvä komponentti.
- Muodonmuutosvoimien mittaaminen metallin muokkauksessa taontapuristimilla ja valssaamoilla.
- Rakennusten rakenteiden ja rakennelmien jännitys- ja rasitustilojen seuranta niiden pystytyksen ja käytön aikana.
- Lämmönkestävästä seostetusta teräksestä valmistetut korkean lämpötilan anturit metallurgisia laitoksia varten.
- jossa on ruostumattomasta teräksestä valmistettu joustava elementti mittauksia varten kemiallisesti aggressiivisissa ympäristöissä.
- Paineen mittaamiseen öljy- ja kaasuputkistoissa.
Kuormitussolujen yksinkertaisuus, mukavuus ja käsiteltävyys ovat tärkeimmät tekijät niiden aktiivisen käytön jatkamiselle sekä metrologisissa prosesseissa että jokapäiväisessä elämässä kotitalouslaitteiden mittauselementteinä.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
