Úvod do problematiky propojování tenzometrických snímačů zatížení
Pro elektronické vážení (elektrické váhy) se běžně používají tenzometrické snímače zatížení, které jsou vyráběny v mnoha různých provedeních. Pro konstrukci vážních plošin, vážených dopravníků, či různých vážených kontejnerů se obvykle používá systém složený ze 3, 4 nebo případně i více tenzometrických snímačů zatížení (strain-gauge load cells), obvykle vždy jeden umístěný v každém rohu vážící plošiny nebo pod každou stejnou nohou dopravníku či sila. Protože většina vážicích (měřicích / vyhodnocovacích / ovládacích) jednotek má obvykle jen jeden vstup pro tenzometrický snímač, obvykle se analogový slabý napěťový výstup stejných snímačů vzájemně připojil paralelně. Protože je standardně u všech tenzometrických snímačů měřicí obvod tvořen zapojením měřicích tenzometrů do Wheatstonova odporového můstku, lze výstupy snímačů se stejným výstupním odporem zapojit paralelně a výstupní generované napětí je úměrné průměrem napětí generovaných každým tenzometrickým snímačem.
Příklad provedení tenzometrického ohybového snímače zatížení a jeho vnitřní zapojení tenzometrů do Wheatstonova můstku se 6vodičovým připojením.
K praktickému paralelnímu zapojení dvou a více tenzometrických snímačů zatížení slouží tzv. propojovací krabice "junction box", což obvykle bývá nerezová skříňka s mnoha průchodkami, kam se přivedou kabely všech jednotlivých snímačů vzájemně mechanicky spojených např. vážící plošinou a z krabičky vychází již jen jeden kabel pro napojení na hlavní měřicí jednotku. Ta pak provádí onen převod napěťového signálu na digitální, zobrazení na displeji či vyslání hodnoty již v podobě konkrétní hmotnosti zatížení po některé komunikační sběrnici do nadřazeného systému (PC nebo PLC), který ji často nějak dále zpracovává nebo ukládá do databáze.
Protože však vlivem tolerancí výroby a materiálů nelze jednotlivé tenzometry i provedení Wheatstonových můstků jednotlivých tenzometrických snímačů vyrobit přesně stejné (odlišnost je vidět v mírně rozdílné hodnotě citlivosti = sensitivity mV/V), je nutné před paralelním spojením jejich výstupů nějak zajistit dorovnání této vzájemné odlišnosti. Dříve se to buď u méně přesných systémů zcela zanedbalo nebo u přesnějších systémů provádělo poměrně jednoduše ve zmíněné propojovací krabičce, kde se sériově k výstupu každého tenzometru připojil odporový trimr či případně složitější soustava rezistorů a jejím doladěním (nastavením vhodného úbytku napětí) se výstupy více snímačů vzájemně vyrovnaly. Toto "triviální" provedení má však úskalí v podobě nemožnosti zcela přesného doladění a navíc chybu způsobenou následnou teplotní závislostí a stárnutím ladicích rezistorů.
V dnešní digitální době však již přeci není nic jednoduššího než onen digitální převod mV napětí spojených snímačů realizovaný na vstupu vyhodnocovací jednotky přenést přímo do propojovací krabičky a digitalizovat výstup každého tenzometrického snímače zvlášť a pak prostě jen provést "výpočetní spojení" v mikroprocesoru. I když je samozřejmě při tomto řešení nutné v elektrické / digitální propojovací krabičce (digital junction box) použít stejný počet A/D převodníků jako je počet snímačů místo jednoho centrálního, je to dnes při cenách elektronických součástek již malichernost proti tomu, co tím získáme. Výhodou je totiž možnost libovolně přesně nakalibrovat a korigovat zvlášť každý výstup snímače či v mezním případě dokonce i vzájemně propojit výstupy i zcela rozdílných snímačů. Výsledné spojení hodnot snímačů totiž již probíhá matematických sloučením (zprůměrováním) přímo číselných hodnot zatížení. Přesnost takového řešení tak prakticky závisí jen na rozlišení A/D převodníků. Protože se dnes již běžně využívá 24bitový převod, není problém provádět měření s přesností na 3x 5000e měřicích dílků, tedy až na 1/15000 měřicího rozsahu snímačů. Obvykle tak omezením spíše bude samotná přesnost tenzometrických snímačů. Výstupní již zcela digitální hodnota zatížení se může rovnou přenášet po sběrnici do nadřazeného univerzálního PLC, čímž zcela odpadá nutnost používat další měřící vážní jednotku. Tou se totiž digitalizací stala sama ona propojovací krabička (junction box).
Junction box Laumas CLM8
Italský výrobce komponent pro elektronické vážení Laumas označuje svoji aktuální novinku Laumas CLM8 jako "INTELLIGENT JUNCTION BOXES". Protože nemám rád módní označování každého digitálního elektronického zařízení za "inteligentní", budu ji označovat jako "digitální propojovací krabička CLM8". Jde zde o plně digitální a velmi moderní propojovací krabičku, která slouží pro připojení až 8 tenzometrických snímačů, které jsou upevněny ve společné vážní mechanické konstrukci. Obsahuje totiž 8 signálových vstupů pro tenzometrické snímače zatížené, kde každý vstup má vlastní 24bitový přesný A/D převodník. Napájení snímačů napětím 5 VDC je pak vždy společné pro dva snímače, tzn. na připojení každé dvojice snímačů jsou zde 2 dvojce signálových vstupních svorek (2 dráty výstupu pro každý snímač), ale pouze jeden pár napájecích svorek a jeden pár tzv. "sense" vstupních svorek pro možnost 6vodičového připojení. Bylo to tak navrženo z důvodu ušetření místa, navíc při nejběžnějším řešení se 4 snímači (např. v každém rohu vážní plošiny) pak každý má i svoje vlastní napájení.
Ukázka připojení 8 tenzometrických snímačů zatížení dodigitální propojovací / vážící jednotky Laumas CLM8.
Zapojit lze libovolný počet snímačů, protože nejen že elektronika CLM8 si sama "očichá" a aktivuje jen použité vstupy, ale lze i manuálně tlačítky přes displej a jeho ovládací menu "ručně" zvolit, které vstupy se mají použít, a které nikoliv. Teoreticky je tak možné mít zapojeno i více snímačů a některé mít "vypnuté". Z předchozího i z fotek tak vyplývá, že jednotka CLM8 má vlastní malý "modrý" LCD displej a 4 ovládací tlačítka s jejichž pomocí lze provádět snadno kalibraci celkovou i zvlášť každého snímače / vstupu, nulování i tárování, nastavení filtrace, vážního rozsahu a rozlišení, i nastavení komunikačních parametrů datového komunikačního výstupu. Ten je standardně k dispozici v podobě RS-232 a RS-485 s podporou Modbus-RTU nebo za příplatek i Ethernetové rozhraní RJ-45 s podporu protokolu Modbus-TCP i malého webserveru.
U zařízení Laumas CLM8 je možné objednat i provedení s ethernetovým rozhraním s jednoduchým webserverem a komunikací Modbus-TCP.
Displej navíc umožňuje zobrazovat aktuální zatížení, a to jak celkové, tak i jednotlivých připojených snímačů. Také umí i zobrazit vzájemný procentuální příspěvek zatížení každého snímače na celkovou hodnotu hmotnosti. Takto lze pak snadno identifikovat i mechanické závady či nevyvážení konstrukce vážní plošiny, která může mít neblahý vliv na celkovou linearitu.
Kalibraci celkovou i jednotlivých vstupů lze provádět buď pomocí reálného zatížení závažím nebo tzv. teoretickým prostřednictvím přesného zadání parametru citlivosti (sensitivity) mV/V jednotlivých snímačů. Mezi další zajímavé funkce patří "Anti-peak", kdy po ustálení zatížení se následně již neuvažují další výkyvy hmotnosti nebo možnost záznamu a vyvolání posledních 50 provedených operací (nulování, tárování, kalibrace apod.).
Závěr
Digitální propojovací i vážící jednotka Laumas CLM8 je přímo výrobcem LAUMAS Elettronica srl nabízeno v několika různých provedeních zapouzdření a uchycení. Existuje verze pro vestavbu, verze pro upevnění na DIN lištu nebo i v provedení se skříní s průchodkami s krytím IP67. Ceny se podle toho pohybují v rozsahu částek 180 až 250,- EURO.
Jednotky Laumas CLM8 i případně další výrobky společnosti LAUMAS Elettronica je možné v ČR objednat s platbou v Kč i v jednotkovém množství u vážního oddělení společnosti Albertina Trading s.r.o. (www.albertina-trading.cz, e-mail: vojacek@albertina-machinery.com).
Odkazy:
- Odkaz na stránky výrobce - Laumas Elettronica: http://www.laumas.com
- Přímý odkaz na stránky o Laumas CLM8: http://www.laumas.com/en/news_full.php?iX=51
- Další články o zařízeních Laumas:
