Jste zde

Princip elektromagnetické kompenzace síly pro přesné vážení

Antonín Vojáček, 25. Červen 2006 - 11:51

K elektronickému vážení se nevyužívá jen známých deformačních snímačů síly - tenzometrů. Pro přesnější a rychlejší vážení se již nějakou dobu využívá mechanismu elektromagnetické kompenzace síly. Ta využívá elektrodynamického principu pravé ruky.

Všude kolem nás se provádí vážení. Aniž si to občas uvědomujeme k nějakému vážení materiálů, výrobků, osob, zvířat atd. dochází v prostředí mnoha firem a institucí. Protože elektronika a automatizace pronikla nebo proniká do všech lidských odvětví i dříve mechanické vážení se dnes provádí elektronicky. Pro běžné aplikace se obvykle využívá tenzometrů umístěné na hmotností deformovaný nosník. Tento princip se však dá použít jen pro přesnosti do cca 0,01 % z vážícího rozsahu. Pro požadavky na přesnější vážení, vyžadované například v potravinářském průmyslu (např. přesné automatické vážení balených potravin), se musí použít jiná metoda. V současné době je v tomto směru nejrozšířenější princip elektromagnetické kompenzace síly. Ten v praktickém nasazení dovoluje dosáhnout přesností lepších než 0,0001 % z vážního rozsahu, což například deklaruje dynamická kontrolní váha Sartorius EWK3000 Plus, která má garantovanou přesnost vážení 1g při vážním rozsahu 10 kg.

Princip elektromagnetické kompenzace síly

Celý princip elektromagnetické kompenzace síly (Magnetic Force Restoration) je založen na klasické fyzikálním principu elektrodynamického principu pravé ruky, kdy na vodič, jímž protéká proud (Current) a je umístěn v magnetickém poli, působí síla (Induced Force). Zvýšíme-li tedy protékající proud v konstantním magnetickém poli, zvýší se i na vodič působící síla. Tento princip je například vyžíván v klasických reproduktorech.

Obr. 1. Princip elekromagnetické kompenzace síly využívané pro elektronické vážení

V provedení vážení naopka daný vážený předmět zatěžuje (působí silou - Force) na tyč (rod) - vodič, který je tak jakoby zatlačován do nitra cívky. Na to reaguje zpětnovazební elektronika váhy tak, že počne zvyšovat hodnotu proudu protékající tyčí. Rostoucí elektromagnetická síla působící na tyč tak kompenzuje zatížení, tzn. vážený objekt jakoby přizvedává. Proud se zvyšuje až do doby, kdy se tyč dostane do výchozí polohy před zatížením. Změna hodnoty velikosti proudu potřebná pro kompenzaci zatížení tak odpovídá hmotnosti váženého objektu. Na obrázku 2. je pak příklad zakomponování uvedeného principu do mechanismu váhy.

Obr. 2. Praktická implementace výše uvedeného principu v elektronické váze

Váha předmětu na vážním mostě/ploše je přes pákový mechanismus přenesen "vážní cívku (Force Coil)". Ta je zde podobně jako u reproduktoru "omotána" okolo permanentního magnetu a se zvýšením zatížení se do něj zasune. To detekuje polohový senzor (displacement sensor), který dá příkaz mikroprocesoru na zvýšení proudu vážní cívkou. Postupné zvyšování proudu dochází až do doby, kdy polohový senzor nahlásí opětovné vyrovnání zatížení, tzn. vysunutí cívky do původní polohy. Hodnota - počet kroků zvýšení proudu je pak softwarově mikroprocesorem přepočítána na hmotnost a zobrazena na displeji, příp. vyslána přes sériové rozhraní RS-232 do počítače nebo na tiskárnu.

Uvedená systém se mimo vysoké přesnosti vyznačuje i velmi rychlou reakcí v řádu jednotek ms. Proto je mimo klasické statické váhy vhodný i pro dynamické vážení, kde vážený produkt bez zastavení projíždí velkou rychlostí přes vážní stolici. A čím rychleji mohou produkty přes váhu přejíždět, tím může být produkce firmy i zisky vyšší.

Použití

přesné statické váhy
přesné automatické dynamické váhy = kontrolní váhy
senzory síly
senzory zatížení

Možné nasazení:

potravinářský průmysl
farmaceutický průmysl
chemický průmysl
stavebnictví
zemědělství

Závěr

Princip elektromagnetické kompenzace síly umožňuje v oblasti přesného automatického vážení do cca 50 kg dosahovat hodnot, které jsou s tenzometrickými silovými snímači prakticky nedosažitelné. Na rozdíl od nich je však nutné dosáhnout podstatně přesnějšího provedení celé konstrukce váhy, což samozřejmě znamená vyšší cenu. To je hlavní daň za výrazně lepší parametry.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz