Jste zde

Kapalinou tlumený tenzometrický snímač zatížení pro rychlá měření

Antonín Vojáček, 14. Leden 2014 - 20:26

Snímač Tedea-Huntleigh Model 240 představuje speciální provedení tenzometrického snímače, který prostřednictvím kapalinového tlumení umožňuje velmi rychlé a přesné vážení a to za cenu jen o málo vyšší než je cena standardního tenzometrického snímače. Zvláště se tak hodí pro odolné dynamické vážící systémy, kde je potřeba vysoký počet vážení za minutu a zároveň není možné použít sice velmi přesné, ale také velmi drahé a křehké elektrodynamické vážní jednotky.

V nabídce izraelské společnosti Tedea-Huntleigh, výrobce ucelené a široké nabídky komponent pro elektronické vážení, který je součástí skupiny Vishay Precision Group, najdete velmi zajímavé provedení tenzometrického snímače zatížení s nenápadným označením "Model 240". Narozdíl od běžných jednobodových tenzometrických snímačů, které obvykle vykazují poměrně velkou dobu ustálení po aplikaci zatížení, provedení Tedea Model 240 představuje speciální kapalinou tlumené provedení umožňující velmi rychlé vážení.

Stručný úvod do tenzometrických snímačů zatížení

Běžné tenzometrické snímače zatížení, anglicky označované jako "strain-gauge load cell", představují základní a nejlevnější provedení snímačů pro elektrické vážení (měření zatížení). Jejich funkce je založená na tenzometrickém odporovém Wheatstonově můstku připevněném na ocelový nosník, který se následně pod vlivem působení síly (zatížení) ohýbá. Ohyb nosníku (v řádu setin nebo max. desetin milimetru) je pak přenášen na připevněné (přilepené) tenzometrické senzory, u nichž se vlivem jejich ohybu nepatrně mění jejich elektrický odpor. Jejich zapojení do Wheatstonova můstku napájeného stejnosměrným nebo lépe střídavým napětím (obvykle v rozsahu 2,5 až 12 V) generuje vlivem zatížení snímače výstupní analogové signálové napětí v řádu jednotek mV. Velikost výstupního napětí pro jmenovité zatížení snímače udává tzv. citlivost (sensitivity) v jednotkách mV/V, která uvádí kolik bude výstupní napětí v mV při jmenovitém zatížení a určitém napájecím napětí. Nejběžnější provedení jsou snímače s citlivostí 2 mV/V, což znamená, že například u snímače s rozsahem 10 kg a při jeho napájení napětím 5V a zatížení 10 kg bude výstupní napětí 10 mV.

Zapojení tenzometrického odporového Wheatstonova můstku ve snímači Vishay Tedea-Huntleigh Model 240.

Výhody snímače Tedea Model 240

Problém výše uvedeného standardního principu a provedení tenzometrických snímačů je poměrně velká doba ustálení. Tedy doba, kdy po jednorázovém zatížení snímače bude výstupní signál kolísat z důvodu kmitání zatíženého nosníku na němž je tenzometrický můstek připevněn. Nosník po prudkém zatížení totiž krátkodobě funguje jako poměrně dost měkká pružina, tedy má tendenci nějakou dobu kmitat. Čím přesněji potřebujeme zatížení změřit, tím déle je potřeba počkat na uklidnění snímače. Například u běžných ohybových snímačů může jít o dobu jednotek či případně až desítek sekund (hrubé pravidlo: potřebná doba ustálení v sekundách = cca hmotnost zatížení v kg). Tím se však samozřejmě výrazně snižuje počet možných měření za jednotku času, např. za minutu. To zvláště vadí u konstrukcí plně automatických vážících či plnících strojů, kde může velká doba ustálení být i hlavním omezujícím faktorem provozního výkonu stroje i celé výrobní linky.

Porovnání charakteristiky odezvy (ustálení) klasického 7 kg snímače Model 1010 (průběh vlevo) a rychlého 7 kg snímače Model 240 (průběh uprostřed). Průběh zcela vpravo ukazuje rychlost změny výstupu po odlehčení z 90% zatížení.

Pro aplikace vyžadující rychlé periodické vážení, kde ale současně z důvodu udržení nízké ceny stroje nelze použít rychlé a přesné, ale také velmi drahé řešení vážení elektrodynamickým systémem s elektromagnetickou kompenzací zatížení, vyvinula společnost Vishay Tedea-Huntleigh speciální kapalinou tlumený tenzometrický snímač zatížení. Ten sice z pohledu absolutní přesnosti vážení poskytuje stejné možnosti jako běžné tenzometrické snímače, ale vykazuje výrazně nižší dobu nutnou pro ustálení. Ta se pohybuje pouze v řádu stovek milisekund. Je tedy cca 10x až 100x rychlejší než běžné tenzometrické snímače. Protože je tlumení realizováno čistě na mechanické bázi, je však s nimi zcela totožný z pohledu elektrického připojení (pořád je zde klasický odporový tenzometrický můstek). Snímač Tedea Model 240 tak lze standardně přímo připojit ke všem běžným měřicím / vyhodnocovacím jednotkám. Také je standardně certifikován OIML R60 a NTEP a lze jej tedy použít i pro aplikace obchodního vážení.

Rozměry rychlého kapalinou tlumeného snímače Vishay Tedea-Huntleigh Model 240.

Montáž a aplikace vážení

Pro přesné měření a správnou funkci je samozřejmě nutné snímač svojí masivní základnou správně, přesně a pevně upevnit k nosné struktuře (rámu) stroje, která však musí být dále odizolována proti okolním vibracím (snímač neumí čelit vibracím upevňovacího rámu). Dále na měřící plošku o průměru 34 mm dvěma šrouby M6 připevnit samotnou vážící plošinu či vážící dopravníček (v případě automatického vážení), který však musí mít plochu max. 400 x 400 mm. Pro větší plošiny je nutné realizovat variantu se 4 snímači v rozích vážící plošiny či dopravníku. Správná mechanická montáž a vodorovné vyvážení snímače je poměrně klíčové pro přesnost vážení. Při plném zatížení se totiž snímač pohne jen o max. 0,4 mm, což při rozdělení vážícího rozsahu např. 20 kg na 4000 dílků odpovídá zatížení 5 g průhyb jen 0,0001 mm (1 mikrometr). Při nepřesné a nepečlivé mechanické montáži snímače tak velmi snadno lze degradovat přesnost vážení i o několik desítek až stovek gramů.

Aplikace zatížení, tedy položení či přísun váženého předmětu, musí být plynulý bez nárazů do vážící plošky snímače ať již jde o vertikální pokládku či o horizontální příjezd předmětu pro dopravníku. Vážení předmětu by mělo probíhat v době, kdy se předmět svým středem nachází co nejblíže středu vážící plošiny.

Základní parametry:

Značení: Model 240
Princip funkce: Tenzometrický snímač s tlumením pro dynamické vážení
Jmenovitý rozsah zatížení (třída přesnosti C3 / NTEP): 5 / 7 / 10 / 15 / 20 / 30 / 50 kg
Maximální rozměr připevněné vážící platformy: 400 x 400 mm
Maximální bezpečné zatížení: 150% jmen. rozsahu
Max. počet měřících dílků: 3000 (třída C3) nebo 5000 (třída NTEP)
Citlivost: 2 mV/V +/- 0,2 mV/V
Celková max. chyba: 0,015% (třída C3) a 0,050% (třída NTEP)
Teplotní drift výstupu: +/- 0,0010%/°C
Provozní teplota: -10 až 40°C (kompenzovaná), -30 až 70°C (bezpečná)
El. připojení: 6-vodičové, pevný kabel 3 m
Vstupní / výstupní impedance: 415 +/- 15 Ohmů / 350 +/- 3 Ohmů
Napájecí napětí: max. 15 V, doporučené 10 V
Materiál: stříkaná ocel nebo na přání nerezová ocel.
Krytí: IP66

Závěr

Tenzometrický "rychlý" snímač zatížení Vishay Tedea-Huntleigh Model 240 představuje vhodné řešení pro váhové aplikace ať již u dynamických průběžných vah či například u rychlého váhového plnění a lze jej v ČR i v kusovém množství zakoupit u přímého zastoupení vážících komponent Vishay, příbramské společnosti M.E.N. expert s.r.o.

Odkazy:

Odkaz na stránky výrobce Vishay Tedea-Huntleigh: http://www.vishaypg.com/load-cells/brands/tedea-huntleigh/
Odkaz na stránky prodejce snímače Vishay Tedea Model 240 v ČR, společnost M.E.N. expert s.r.o.: http://www.menexpert.cz