Existuje mnoho aplikací, kde je nutné měřit hmotnost předmětu či materiálu, tahové zatížení nosníků apod. K těmto účelům a pro okamžitou instalaci slouží kompaktní zapouzdřené silové snímače se stupněm krytí IP68 a konstruované tak, že splňují doporučení normy OIML R-60 pro měření a vážení. Celosvětově je mnoho výrobců podobných snímačů, například lze jmenovat u nás známé snímače REVERE a HOTINGER. V tomto článku nastíním provedení těchto snímačů, jejich vlastnosti a možné použití.

V současné době se pro měření zatížení, hmotnosti, síly či tahu nejčastěji využívají dvě metody:

• ohyb nosníčku měřený tenzometrickým můstkem
• metoda elektromagnetické kompenzace sil

Zatímco ta první metoda se využívá pro měření větších hodnot sil a zatížení, druhá metoda, popsaná v článku "Princip elektromagnetické kompenzace síly pro přesné vážení", je hlavně využívána v přesných vážních mechanismech a měřáků síly pro malé hodnoty zatížení.

Použití

• Statické vážení - měření hmotnosti a zatížení nepohybujících se předmětů
• Dynamické vážení - měření hmotnosti pohybujících se objektů
• Pásové a kontrolní váhy - dynamické vážení
• Měření pnutí
• apod.

Mechanická struktura a provedení

Celý zapouzdřený snímač se skládá z:

• nosné části
• vlnovce
• zatěžované části

Tuhá nosná část, obvykle opatřená dvěma průchozími otvory, slouží k připevnění snímače k referenční tuhé nosné konstrukci, která se nebude s působením měřeného zatížení měnit a pokud možno zůstane neměnná i v provozním rozsahu okolních teplot.

Vlnovec je prakticky měřící "pružná" zatížením ohýbaná část pod nímž (uvnitř) se nalézá na měřícím nosníčku soustava 4 snímacích tenzometrů zapojených do plného Wheatstonova můstku.

Zatěžovaná část je opět tuhá a obsahuje průchozí otvor pro přichycení objektu, jehož hmotnost se váží nebo který je vystavený působícímu zatížení. Při aplikaci zatížení na měřící konec dochází k prohnutí snímače obvykle od 0.2 do 0.6 mm dle provedení snímače a hodnoty hmotnosti.

Snímače se vyrábějí pro různé hodnoty zatížení, typicky však v řadě 5 / 10 / 20 / 30 / 50 / 100 / 200 / 500 kg, příp. 1 tuna (pro vážení větších hmotností se využívá pákového mechanismu), přičemž externí provedení pouzdra bývá obvykle stejné, pro možnost jejich snadné záměny při změně měřících podmínek. Protože jsou snímače často vystaveny působení vody, jemného prachu, i různých agresivnějších nečistot a z důvodu dlouhé životnosti, která dle mých praktických zkušeností dosahuje až 20 let při neustálém provozu, je běžný stupeň krytí IP 68.

Z pohledu měřících vlastností se struktura během ohybu chová v celém navrženém rozsahu, např. 0 až 30 kg, lineárně, ale v celku bez jakýchkoliv problémů a trvalých následků lze snímač při měření zatížit až 150 % jmenovité hodnoty. Destrukční zatížení, po kterém již snímač není schopen dále správně měřit, je 300 % jmenovité hodnoty. Zatížení mezi těmito limity sice snímače okamžitě nezničí, ale získaná hodnota již nemusí odpovídat pravdě a při dlouhodobém periodickém přetěžování může, dle mých zkušeností, docházet k malinkým nevratným změnám a ty pak následně zvyšují chybu měření/vážení.

Elektrické provedení a vlastnosti

Jak již bylo zmíněno výše, v pouzdru jsou zapojeny 4 odporové tenzometry zapojené do klasického plného Wheatstonova můstku se šestivodičovým připojením pro kompenzaci vlivu změn okolní teploty. Vždy jsou od výrobce dodávány s pevně připojeným obvykle 3 m stíněným kabelem, který se nikdy nesmí zkrátit, aby se neporušily nastavené podmínky vnitřní kompenzace přívodních vodičů.

V kabelu lze nalézt celkem 6 vodičů:

• Sense (+ / -) - slouží pro přesní měření napětí na můstku
• Excitation (+ / -) - vstupní napájecí vodiče můstku, obvykle 5 V DC
• Signal (+ / -) - výstupní měřící vodiče
• Shield - stínění propojovacího kabelu

Hlavním elektrickým parametrem je převodní konstanta označovaná jako citlivost (sensivity) Cn nebo napěťová úroveň výstupu (rated output) S udávána v jednotkách mV / V. Tento údaj udává jaké bude jmenovité napětí na výstupu při jmenovitém zatížení měřící části a při napájení 1 V. Jestliže je obvyklá hodnota 2 mV/V s tolerancí +/- 0.1, 0.05 nebo 0.02 % (dle výrobce), tak při napájení 5 V lze u snímače na výstupu naměřit napětí 10 mV.

Důležité parametry

• Jmenovité max. zatížení Emax: obvykle 5 / 10 / 20 / 30 / 50 / 100 / 200 / 500 kg, příp. 1000 kg
• Max. počet ověřitelných dílků rozsahu/stupnice: typ. 2000 až 4000
• Třída přesnosti podle doporučení OIML R-60: D1/C2/C3/C4/C6
• Citlivost / úroveň výstupu: typ. 2 mV/V
• Tolerance citlivosti: setiny až desetiny %
• Odchylka linearity: typ. tisíciny až setiny %
• Vstupní odpor můstku: typ. 300 až 500 Ohmů
• Výstupní odpor můstku: typ. 356 Ohmů
• Napájecí napětí - excitation voltage: typ. 5 V DC (příp. až 12 V DC)
• Provozní teplotní rozsah: obvykle -10 až 40°C (příp. -30 až 70 °C)
• Provedení pouzdra: obvykle nerezová ocel s IP66 nebo IP68

Závěr

Měření hmotnosti či zatížení, příp. pnutí, je s postupně přísnější legislativou EU, stále častěji požadováno. Výše uvedené provedení tenzometrických snímačů lze použít jak samostatně, v různých speciálních a jedinečných aplikacích (například při měření zatížení nebo nadnášení nosníků), nebo v typizovaných aplikacích. Těmi jsou například různé automatické průmyslové statické i dynamické váhy pro velká zatížení (např. statické kolejové a silniční váhy nebo kontinuální pásové a kontrolní váhy vážící za pohybu různých dopravníků). Snímače splňující normy OIML R-60 (jako například snímače značek REVERE nebo Hottinger), umožňují nasazení i v obchodním vážení ověřené ČMI (Českým Metrologickým Institutem), např. pro potřeby fakturace.

Bližší technické informace o silových snímačích například najdete na stránkách firmy Vishay, pod kterou spadá i značka REVERE, nebo firmy Hottinger. Oba výrobci mají zastoupení i v ČR. Pro bližší informace ohledně požadavku na vážení odkazuji na stránky Českého Metrologického Institutu - www.cmi.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky firmy Vishay, pod kterou spadají i snímače značky REVERE - www.vishay.com
• Stránky firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH - www.hbm.com
• Oficiální stránky Českého Metrologického Institutu - www.cmi.cz
• Článek na serveru Automatizace.hw.cz - "Princip elektromagnetické kompenzace síly pro přesné vážení"
• Článek na serveru Automatizace.hw.cz - "Co jsou to pásové váhy ?"