Princip snímání sil

Čidla, která převádějí hmotnost nebo sílu na elektrický signál, se nazývají snímače sil (hmotnosti). Existuje několik principů převodu síly (hmotnosti) na elektrický signál. Často je používáno tenzometrické snímání spočívající v tom, že se na kovový podklad nalepí tenzometrická známka (obr. 1), která je zapojena do Wheatstoneova můstku (obr.2). Při deformaci kovového podkladu hmotností váženého zboží nebo aplikovanou silou, tenzometrická známka změní svůj odpor - můstek se rozváží a na jeho výstupu se objeví napětí úměrné síle, tedy hmotnosti, která působila na tento kovový podklad.

Obr. 1 Jeden z tvarů tenzometrické známky – zvětšeno (zdroj: Vishay Measurements Group – www.vishay.com)

Tenzometrické snímače Utilcell

Utilcell, s. r. o., nabízí ucelenou řadu tenzometrických snímačů sil pro různé aplikace (podle provedení) a váživosti (od jednotek kilogramů do několika set tun). Snímače  této firmy jsou již dnes známy ve všech zeměpisných šířkách. Převážná většina z nich je vhodná pro obchodní vážení, které klade větší nároky na přesnost a opakovatelnost měření. Pro průmyslové aplikace jsou vhodné všechny snímače Utilcell a některé z nich jsou navrženy tak, aby vyhovovaly požadavkům pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Hlavním cílem společnosti Utilcell, s. r. o., je dodávat a pomáhat implementovat nejen snímače, ale i vyhodnocovací jednotky, které jsou testovány a interně schvalovány, takže je zaručena jejich součinnost se snímači.

Obr. 2 Wheastoneův můstek (odpory R1 až R4 mohou být tenzometrické známky)

Hlavním hlediskem při realizaci vážicího systému nebo při testovacím měření síly je spolehlivost naměřených údajů. Aby byly naměřené hodnoty smysluplné, je nutné pečlivě vybrat vhodný snímač a vyhodnocovací jednotku, která bude splňovat technické požadavky na dané měření. Výběr snímače se provede na základě několika hledisek:

• charakter měřené síly nebo hmotnosti,
• konstrukční typ snímače,
• uchycení nosiče břemena ke snímači.

Měřená síla nebo hmotnost může být svým charakterem statická nebo dynamická a výsledkem měření může být buď absolutní hodnota, nebo pouze její změny. V praxi je většinou požadováno určit konkrétní hodnotu, která nevykazuje větší dynamické vlastnosti. Snímač by měl být navržen tak, aby maximální měřená hodnota dosahovala 50% až 80% nominální hodnoty snímače. Rezerva je nutná pro ochranu snímače před zničením, protože v praxi je těžké při návrhu systému přesně odhadnout reálnou maximální hodnotu.

Obr. 3 Snímač model 190 – typu single point

Při návrhu vážení je nutné zvolit také vhodný konstrukční typ snímače. Řešení jednotlivých výrobců se liší způsobem deformace tenzometrického snímače sil. Některá konstrukční řešení jsou navržena podle požadavků na způsob použití. Například jednobodové (single point) snímače sil  (obr. 3) se od ostatních typů liší svou konstrukcí, která umožňuje měřit i excentrické zátěže na nosiči břemena. Většinou se tyto snímače používají pro platformové váhy, kde postačuje jeden snímač uprostřed platformy. Vyrábějí se většinou v nominální kapacitě pouze několika set kilogramů, výjimečně několika tun. Jiným typem je tlakový snímač konstruovaný tak, aby snesl velké zátěže, a proto je vyráběn s vysokými nominálními hodnotami, většinou od desítek tun výše.

Uchycení nosiče břemena ke snímači řeší firma Utilcell pomocí vlastního uceleného systému příslušenství pro upevnění snímačů ke konstrukcím. V případech, kdy není možné použít standardizovaných prostředků, je třeba přizpůsobit uchycení snímače podle konkrétního nosiče břemena. Řešení je vhodné konzultovat s dodavatelem snímačů, neboť nevhodně instalovaný snímač může chybně snímat hodnoty a tím znehodnocovat celý proces měření.

Vyhodnocovací jednotky

Snímač vybraný podle uvedených kritérií je nutné napájet a naměřené hodnoty vhodným způsobem vyhodnocovat. Na trhu existuje řada vyhodnocovacích jednotek v různých cenových relacích a při výběru je nutné se řídit následujícícmi parametry, aby byla jednotka vhodná ke zpracování hodnot ze zvolených snímačů:

• napájecí napětí snímače, které musí být vždy stabilizované (pro snímače Utilcell je vhodné  10 V DC, maximálně 15 V DC),
• vstupní citlivost jednotky (alespoň 1 mV/vnitřní dílek),
• chyba linearity Ł 0,01% z rozsahu měření,
• frekvence měření: pro statické měření stačí 50 měření/s, pro dynamické podle rychlosti změn,
• pro větší vzdálenosti mezi snímačem a vyhodnocovací jednotkou, je vhodné aby jednotka a snímač měly kontrolu velikosti napájecího napětí u snímače (SENSE).

Vyhodnocovací jednotky Matrix a DAT firmy Utilcell byly popsány v časopisu Automatizace č. 3 a 5/2004 v rubrice Produkty.

Kontakt: Utilcell, s. r. o.
nám. V. Mrštíka 40
664 81 Ostrovačice (Brno)
tel.: 546 427 053
fax: 546 427 212
e-mail: info@utilcell.com
www.utilcell.com