Použití tenzometrických snímačů s tenzometry zapojené do Wheatstonova můstku nebo jeho modifikací pro měření zatížení, síly, momentu sil, ohybu apod. je všeobecně známo. Nevýhodou tohoto tradičního a principielně jednoduchého řešení dosahující velmi vysoké přesnosti měření je velmi malý výstupní napěťový signál pohybující se v řádu jen několika mV. Pokud tedy chcete například výstup silového tenzometrického snímače (load cell) snadno zpravovat například v základních programovatelných automatech (PLC), je nutné použití speciálních převodníků. A právě jeden takový jsem měl možnost vyzkoušet.

Převodník Sartorius MP20/00

Tento modul z výrobních dílen světoznámé německé vahařské společnosti Sartorius, je primárně určen pro snadné připojení tzv. silových snímačů (load cells), tedy tenzometrických snímačů pro elektronické měření zatížení (elektronické vážení). Výhodou jeho nasazení proti použití některé z nabídky vážních elektronik, je možnost si libovolně vytvořit svoje ovládací HMI rozhraní nebo snadné vestavění a napojení do nějakého automatického stroje, který mimo vážení provádí ještě některé další funkce. Prostě převodník s označením MP20/00 umožňuje předvádět slabý mV střídavý napěťový signál tenzometrického silového snímače s citlivostí (tj. výstupním napěťovým rozsahem) 0,17 mV/V až 3,3 mV/V na standardní stejnosměrné napětí v rozsahu 0 - 10 V nebo analogový proudový výstup (smyčka) 0 - 20 mA nebo 4 - 20 mA.

Tenzometrický odporový snímač se zde budí (napájí) dost netradičně nízkých napětím jen 2,5 V o frekvenci 425 Hz. Typicky se většina silových snímačů napájí amplitudou 5 až 12 V. Výrobce to odůvodňuje snížením zahřívání snímače vlivem napájení nižším výkonem. Tím tak minimalizuje teplotní chybu. Zároveň si to může dovolit díky velmi citlivému vstupu převodníku s přesným zesilovačem a 12bitovým A/D převodníkem. Díky omezením budícího proudu na max. 60 mA musí mít snímač vstupní odpor min. 42 Ohmů. To je však v 99,9% případů splněno, protože obvyklé hodnoty jsou okolo 200 - 400 Ohmů.

Jinak je vstup převodníku navržen pro 6vodičové připojení snímače, tzn. 2 vodiče napájení (Exc), 2 vodiče pro měření výstupního signálu (Sig) a 2 vodiče pro přesné měření napájecího napětí přimo na můstku (Sen). Zde se tak eliminuje úbytek napájecího napětí na přívodních vodičích, kterými protéká budící proud několika desítek mA, zatímco měřícími vodiči prakticky 0 mA. To se však výrazněji uplatní až u kabelů délky několika desítek metrů. V případě několika metrů a budícího proudu jen jednotek mA lze bezproblémů využít jen čtyřvodičového zapojení. Zde se pak zkratují kladné a záporné svorky Exc a Sen.

Z pohledu analogových výstupů lze zároveň "odebírat" jak napětí, tak proud, protože převodník má oba výstupy plně oddělené a současně pracující. U proudové smyčky se pak v horním pravém rohu umístěným přepínačem na těle modulu zvolí rozsah od 0 nebo od 4 mA.

To není vše. Jak se na správný měřící převodník sluší a patří, jsou zde k dispozici i různé další užitečné funkce. Jednou z nich je možnost přesného nastavení elektrické nuly vstupu (vstupního offsetu) v rozsahu 0 až +/- 80 % rozsahu vstupu, tedy rozsahu připojeného snímače. Je zde k dispozici jak hrubé skokové nastavení s přepínači s hodnotami +/- 2,5/5/10/20/40 % rozsahu, přičemž lze libovolně sepnout jeden nebo všechny spínače, tak jemné doladění v rozsahu 0 až 3% pomocí 25otáčkového potenciometru.

Podobně lze nastavit strmost převodní charakteristiky převodníku mezi vstupem a výstupem (zisk převodníku) přepínači s krokem 2x, tzn. s násobícími hodnotami 2/4/8/16/32, a přesně donastavit opět 25otáčkovým potenciometrem s násobícím faktorem v rozsahu 1 až 2. Max. nastavitelná hodnota zesílení je tedy 64x. To však samozřejmě není celkové zesílení převodníku od vstupu k výstupu, protože to nestačí na zesílení např. 5 mV signálu na výstupu snímače na 10 V signál na výstupu převodníku. Jak je patrné, zde je nutné provést zesílení s hodnotou 2000. Prvotní zesílení signálu ze snímače se totiž provádí již hned za vstupními svorkami převodníku, jak je vidět na uvedeném blokovém schématu (blok Input amplifier). Tím se omezují nežádoucí vlivy. Tzv. SCALING, tedy ono řízení strmosti / zisku, se pak provádí až těsně před výstupními bloky.

Vhodnou orientační hodnotu pro nastavení strmosti pro použitý rozsah snímače udává tabulka v návodu k převodníku (viz níže). Ta definuje jaký zisk je nutné nastavit, aby pro danou mV/V hodnotu snímače se plný jeho měřící rozsah zobrazil jako plný rozsah výstupu převodníku 0 - 10 V, resp. 0/4 - 20 mA. V základní konfiguraci je vstup převodníku určen pro snímače s jmenovitou citlivostí 0,17 až 3,3 mV/V, přičemž v případě té vyšší krajní hodnoty se "nenahazuje" žádný spínač, v případě hodnoty 0,17 mV/V se pak naopak musí přepnout všechny přepínače.

Nakonec je tu L-P-FILTER, který určuje odezvu výstupy na změny signálu ze snímače. Minimální hodnotu 5 ms lze rozšířit opět přepínači až na 635 ms. Nechybí ani LED indikace. Jedna LED informuje o přítomnosti napájecího napětí převodníku, které je 12 až 24 VDC a další dvě informují o překročení kladné či záporné meze rozsahu.

Praktické vyzkoušení

Převodník jsem napájel stabilizovaným zdrojem 24 VDC a na jeho vstupy připojil 10 kilogramový ohybový silový snímač Sartorius MP57/10 kg C3MR+, který je produktem společnosti Sartorius Hamburg GmbH. Výstupy jsem měřil multimetrem.

Protože snímač má citlivost 2 mV/V, tzn. při napájení 2,5 V má rozsah výstupního střídavé napětí 0 až 5 mV, je potřeba dle tabulky zapnout 1. přepínač zprava v poli "SET SPAN" s hodnotou 2 a dále donastavit zisk cca 17 otáčkami potenciometru. Tak výstupní signál 10 kg snímače pokryje celý výstupní rozsah převodníku 0 - 10 V. Pak tedy změně zatížení o 1 kg odpovídá změně výstupního napětí převodníku o 1 V. Samozřejmě přesné nastavení a odzkoušení zisku / strmosti převodníku je nutné provést při použití kalibračních závaží. Předtím je však nutné provést nastavení nulového bodu potenciometrem a přepínači v poli "SET ZERO" tak, aby voltmetr ukazoval cca 0 mV.

Převodník tedy máme nastavený a můžeme vyzkoušet funkci. Třeba tak, že budeme snímač postupně zatěžovat postupným přiléváním vody do nádoby připevněné k snímači. S rostoucím zatížením tak roste i výstupní napětí až do doby, kdy hodnota překročí 10 V. Pak se rozsvítí červená LED označená jako "Overflow +". Naopak například pokud budeme snímač přizvedávat, výstupní napětí bude nabývat stále nižších záporných hodnot až po překročení hodnoty -10 V se rozsvítí červená LED "Overflow -".

Samozřejmě pokud chceme měřit jen čistě hmotnost kapaliny v nádobě, tj. bez hmotnosti samotné nádoby, která je například pevně připevněna k snímači, lze to provést novým nastavením nuly prostřednictvím "SET ZERO". V tomto případě potřebujeme jít do "mínusu", což je možné po přepnutí přepínače označeného jako +/- do spodní polohy. Pokud tedy například "mrtvá" hmotnost nádoby je 1 kg, musíme pro její eliminaci posunout nulu o - 10%. Protože však kontrolky Overflow (přeplnění) indikuje pouze překročení výstupního rozsahu a ne překročení měřícího rozsahu snímače, který je v reálu samozřejmě zatěžován jak obsahem nádoby, tak nádobou samotnou, je nutné vzít na vědomí, že teď již nelze dále používat celý výstupní rozsah převodníku. Pokud by například v našem případě hmotnost nádoby činila 5 kg, pak hmotnost produktu může být max. 5 kg, aby nedošlo k překročení rozsahu snímače 10 kg. Pokud nezměníme hodnotu zisku/strmosti, ale jen provedeme vynulování hmotnosti prázdné nádoby (tedy posunu nuly o - 50% rozsahu snímače) výstup při maximálním zatížení snímače ukazovat jen max. 5 V, tedy správně 5 kg. V případě naplnění nádoby na celý rozsah 10 V, by jsme snímač přetížily o 50%, což bývá mezní hodnota přetížení. Tento nedostatek lze odstranit zvýšením strmosti převodní charakteristiky (hodnoty zisku ve bloku SET SPAN) a přiřadit hodnotu napětí 10 V jen max. možnému zatížení obsahu nádoby, tedy 5 kg. Pak změně hmotnosti vody v nádobě o 1 kg se změní výstup převodníku o 2 V.

Základní parametry převodníku MP20/00

• Vstupy pro připojení silového snímače
  • Budící napětí: 2,5 Vpp / 425 MHz
  • Budící proud: max.60 mA
  • Rozsah nastavení offsetu (ZERO): 0 až +/- 2,6 mV/V
  • Standardní vstupní rozsah (citlivost): 0,17 mV/V až 3,3 mV/V
  • Rozlišení: cca 100 nV
• Analogové výstupy:
  • Napěťový výstup: 0 až 10 VDC
  • Proudový výstup: 0 nebo 4 až 20 mA
  • Odchylka mezi oběma výstupy: max. 2 % rozsahu
• Odchylka linearity: menší než 0,005%
• Okolní vlivy:
  • Drift 5 minut po zapnutí napájení: menší než 0,002% rozsahu
  • Provozní teplotní rozsah: -10 až 40°C
  • Vliv teploty na nastavený offset: menší než 30 ppm/K
  • Vliv teploty na nastavený zisk /strmost: menší než 50 ppm/K
  • Odolnost proti EM rušení frekvencí: 26 až 1000 MHz
  • Stupeň krytí: IP40
• Napájení převodníku: 12 až 24 VDC
• Spotřeba: max. 3 W
• Rozměry: 78 x 113 x 45 mm
• Připevnění: na DIN lištu 35 mm

Závěrem...

Převodník Sartorius MP20/00 vyráběný v Dánsku mi pracoval bez problémů a jeho ovládání je celkem hračkou, zvláště pokud již máte s oblastí tenzometrických silových snímačů nějaké zkušenosti. Provedení na DIN lištu se pak snadno instaluje do skříní měřících zařízení a standardní výstupní signál pak snadno připojí a zpracujete v téměř každém PLC. Všechny pozitiva možná trošku kazí cena cca 9500,- Kč bez DPH.

DOWNLOAD & Odkazy

• Webové stránky výrobce, společnosti Sartorius Mechatronic GmbH - www.sartorius.com
• Jeden z prodejců v ČR, společnost Albertina Trading s.r.o. - www.albertina-trading.cz
• Článek o tenzometrických ohybových silových senzorech - http://automatizace.hw.cz/zapouzdrene-silove-snimace-pro-mereni-zatizeni
• Informace o silových snímačích Vishay - http://automatizace.hw.cz/ohybove-silove-snimace-vishay
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz