«Точность – вежливость королей!» В наше время актуальность этого средневекового французского афоризма только растет. Для проведения точных измерительных вычислений на производстве и в быту все шире используются приборы на основе тензометрических датчиков.
Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики
Тензометрия (от лат. tensus — напряжённый) – это способ и методика измерения напряжённо-деформированного состояния измеряемого объекта или конструкции. Дело в том, что нельзя напрямую измерить механическое напряжение, поэтому задача состоит в измерении деформации объекта и вычислении напряжения при помощи специальных методик, учитывающих физические свойства материала.
В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект — это свойство твёрдых материалов изменять своё сопротивление при различных деформациях. Тензометрические датчики представляют собой устройства, которые измеряют упругую деформацию твердого тела и преобразуют её величину в электрический сигнал. Этот процесс происходит при изменении сопротивления проводника датчика при его растяжении и сжатии. Они являются основным элементом в приборах по измерению деформации твёрдых тел (например, деталей машин, конструкций, зданий).
Устройство и принцип работы
Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.
В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма.
Читайте также: Как изготовить электронную печатную плату в домашних условиях?
Рассмотрим более предметно виды и типы современных тензометрических датчиков.
Датчики крутящего момента
Датчики крутящего момента предназначены для измерения крутящего момента на вращающихся частях таких систем, как коленвал двигателя или рулевой колонки. Тензодатчики крутящего момента могут определять как статический, так и динамический момент контактным либо бесконтакным (телеметрическим) способом.
Тензодатчики балочного, консольного и кромочного типов
Эти типы датчиков изготавливают обычно на основе параллелограммной конструкции со встроенным элементом изгиба для высокой чувствительности и линейности измерений. Тензорезисторы в них закрепляются на чувствительных участках упругого элемента датчика и соединяются по схеме полного моста.
Конструктивно балочный тензодатчик имеет специальные отверстия для неравномерного распределения нагрузки и выявления деформаций сжатия и растяжения. Для получения максимального эффекта тензорезисторы по специальным меткам строго ориентируют на поверхности балки в ее самом тонком месте. Высокоточные и надежные датчики этого типа используют для создания многодатчиковых измерительных систем в платформенных или бункерных весах. Нашли они свое применение и в весовых дозаторах, фасовщиках сыпучих и жидких продуктов, измерителях натяжения тросов и других измерителях силовых нагрузок.
Тензометрические датчики: типы, устройство, принцип работы, назначениеТензодатчики силы растяжения и сжатия
Тензодатчики силы растяжения и сжатия, как правило, имеют S-образную форму, изготавливаются из алюминия и легированной нержавеющей стали. Предназначены для бункерных весов и дозаторов с пределом измерения от 0,2 до 20 тонн. S-образные тензодатчики силы растяжения и сжатия могут использоваться в станках по производству кабелей, тканей и волокон для контроля силы натяжения этих материалов.
Тензорезисторы проволочные и фольговые
Проволочные тензорезисторы делают в виде спирали из проволоки малого диаметра и крепят на упругом элементе или исследуемой детали с помощью клея. Их отличает:
- простота изготовления;
- линейная зависимость от деформации;
- малые размеры и цена.
Читайте также: Какие виды классов энергопотребления существуют
Из недостатков отмечают низкую чувствительность, влияние температуры и влажности среды на погрешность измерения, возможность применения только в сфере упругих деформаций.
Фольговые тензорезисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом тензорезисторов из-за их высоких метрологических качеств и технологичности производства. Это стало доступным благодаря фотолитографической технологии их изготовления. Передовая технология позволяет получать одиночные тензорезисторы с базой от 0,3 мм, специализированные тензометрические розетки и цепочки тензорезисторов с широким рабочим температурным диапазоном от –240 до +1100 ºС в зависимости от свойств материалов измерительной решетки.
Преимущества и недостатки тензодатчиков
Широкое применение тензодатчики получили благодаря своим свойствам:
- возможности монолитного соединения датчика деформации с исследуемой деталью;
- малой толщине измерительного элемента, что обеспечивает высокую точность измерения с погрешностью 1-3 %;
- удобстве крепления, как на плоских, так и на криволинейных поверхностях;
- возможности измерения динамических деформаций, меняющихся с частотой до 50000 Гц;
- возможности проведения измерений в сложных условиях окружающей среды в температурном интервале от -240 до +1100˚С;
- возможности измерений параметров одновременно во многих точках деталей;
- возможности измерения деформации объектов, расположенных на больших расстояниях от тензометрических систем;
- возможностью измерения деформаций в движущихся (крутящихся) деталях.
Из недостатков следует отметить:
- влияние метеоусловий (температуры и влажности) на чувствительность датчиков;
- незначительные изменения сопротивления измерительных элементов (около 1%) требует применение усилителей сигналов.
- при работе тензодатчиков в условиях высокотемпературной или агрессивной среды необходимы специальные меры их защиты.
Основные схемы подключения
Рассмотрим это на примере подключения тензометрических датчиков к бытовым или промышленным весам. Стандартный тензодатчик для весов имеет четыре разноцветных провода: два входа – питание (+Ex, -Ex), два других – измерительные выходы (+Sig, -Sig). Встречаются также варианты с пятью проводами, где дополнительный провод служит в качестве экрана для всех остальных. Суть работы весового измерительного датчика балочного типа довольно проста. На входы подается питание, а с выходов снимается напряжение. Величина напряжения зависит от приложенной нагрузки на измерительный датчик.
Читайте также: Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение
Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применениеЕсли длина проводов от весового тензодатчика до блока АЦП значительна, то сопротивление самих проводов будет влиять на показание весов. В этом случае целесообразно добавить цепь обратной связи, которая компенсирует падение напряжения путем корректировки погрешности от сопротивления проводов, вносимую в измерительную цепь. В этом случае схема подключения будет иметь три пары проводов: питания, измерения и компенсации потерь.
Примеры использования тензометрических датчиков
- элемент конструкции весов.
- измерение усилий деформации при обработке металлов давлением на штамповочных прессах и прокатных станах.
- мониторинг напряженно-деформационных состояний строительных конструкций и сооружений при их возведении и эксплуатации.
- высокотемпературные датчики из жаропрочной легированной стали для металлургических предприятий.
- с упругим элементом из нержавеющей стали для измерений в химически агрессивной среде.
- для измерения давления в нефте и газопроводах.
Простота, удобство и технологичность тензодатчиков – основные факторы для дальнейшего активного их внедрения, как в метрологические процессы, так и использования в повседневной жизни в качестве измерительных элементов бытовой техники.
Похожие статьи
Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и видыЧто такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделейЧем отличаются и где используются постоянный и переменный токЧто такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?Как установить и настроить спутниковую антенну самостоятельно?Для чего нужен пирометр и как измерять температуру бесконтактным методомЧто такое нихромовая проволока, её свойства и область примененияЧто означает степень защиты IP — расшифровка, таблица, примеры использования5 апреля 20143613 просмотров
Весовой измерительный датчик для весов
Занимаясь ремонтом весоизмерительной техники приходится сталкиваться с некоторым непониманием со стороны механиков такого важного понятия, как принцип работы весового измерительного датчика. Постепенно собралась небольшая коллекция частозадавемых вопросов и ответов на них. В принципе в интернете и на книжной полке есть достаточно материалов, но, как правило, это в основном информация для инженеров проектировщиков, вызывающая зевоту у инженеров ремонтников. Ответы на вопросы делались на основе практических умозаключений и на основании полученных знаний на лекциях по метрологии, но вполне допускаются ошибки в оконечных выводах, фактически все ответы подкреплены практическими данными. Вопросы будем рассматривать от простого к сложному.
Как правильно называть весовой измерительный датчик для весов.
Работая с весами уже более 20 лет, ответ на этот вопрос так и не был найден, поэтому просто перечислим встречавшиеся термины.
Датчик ХХХХ (где ХХХХ маркировка датчика), чувствительный элемент — Масса-К
Тензометрический датчик (тензодатчик) – CAS
Тензодатчики, схема подключения, принцип работыБалка – жаргон
Мы же будем дипломатично называть — весовой измерительный датчик для весов.
Устройство весового измерительного датчика для весов.
Вопрос довольно глобальный, постараемся упростить материал как можно больше, и не вдаться в теоретические выкладки. В самом конце подборки мы все-таки рассмотрим весовой измерительный датчик для весов в более расширенном варианте. А пока, максимально упрощенный вариант.
Классический весовой измерительный датчик для весов на выходе имеет четыре разноцветных провода два — питание (+Ex, -Ex), два — измерительные концы (+Sig, -Sig).
|
Для справки. Встречаются несколько вариантов обозначения выводов весового измерительного датчика для весов Питание +Ex, Ex+, Exc+, Excitation+, +Питания, +Питания датчика —Ex, Ex-, Exc-, Excitation-, — Питания, -Питания датчика Выход Sig+, LC-Sig+, +Signal, +Сигнал, +Сигнал датчика Sig-, LC-Sig-, —Signal, -Сигнал, -Сигнал датчика Цепи компенсации (только для 6-проводного варианта) +Sense, +Sen, Sen+, Обратная связь+ -Sense, -Sen, Sen-, Обратная связь— |
Иногда встречается вариант с пятью проводами, где пятый провод служит экраном для остальных четырех. Суть работы весовой измерительный датчик для весов проста, на вход подается питание, с выхода снимается напряжение. Выходное напряжение меняется в зависимости от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов (балку).
Упрощенная электрическая схема весового измерительного датчика для весов
Основное отличие 6-проводного весового измерительного датчика от 4-проводного.
При большой длине проводов от весового измерительного датчика до блока АЦП, сопротивление самих проводов начинает влиять на показания весов.
Существует два решения этой проблемы:
1. Делать длину проводов одной и той же длины, тогда погрешность от сопротивления проводов вносимая в цепь измерения будет заранее известна, и будет скомпенсирована на уровне АЦП.
| Для справки. На весах Масса-К серии ВТ было использовано оригинальное решение, АЦП был установлен прямо на весовом измерительном датчике, что позволяло решить проблему сопротивления проводов. Но был допущен серьезный инженерный просчет – переключатель калибровки не был вынесен за переделы весового измерительного датчика, и как результат усложненная процедура калибровки. |
2. Добавить измерительную цепь, с помощью которой можно измерить сопротивление провода (а точнее падение напряжения) и в динамике подкорректировать погрешность от сопротивления проводов вносимую в цепь измерения.
Измерительная цепь +Sen, -Sen позволяет измерить падение напряжения на соединительных проводах
Для этих целей добавляют два провода +Sen, -Sen которые и позволяют измерить падение напряжения на проводах, теперь достаточно вычесть это значение из общих измерений и мы получим показания только с тензорезисторов.
Упрощенный алгоритм работы обратной связи для компенсации падения напряжения на проводах
| Вывод: Из вышесказанного следует, для 4-проводной схемы подключения весового измерительного датчика категорически не рекомендуется изменять (удлинять или укорачивать) длину кабеля от датчика до АЦП. В принципе при изменении длины соединительного кабеля можно сделать повторную калибровку, но вот калибровку термокомпенсации, вряд ли удастся, если это не предусмотрено конструкцией весов |
Зачем в балке весового измерительного датчика для весов сделаны отверстия?
Если бы в балке не было отверстий, то вся нагрузка была бы распределена по всей поверхности в равной степени, и выявить деформацию было бы очень трудно. Так как тензорезисторы должны размещаться в местах наибольшего напряжения, то место установки последних делают специально тонким, нагрузка приложенная на конец балки, была максимально выражена в этих самых местах. Для максимального эффекта тензорезисторы строго ориентируют на поверхности балки, строго под самым тонким местом.
Тензорезистор установлен строго по меткам на поверхности балки и в соответствии с метками на подложке.
Двумя отверстиями расположенными рядом достигается эффект – на одной плоскости один датчик работает на сжатие другой на растяжение.
Работа тензорезисторов под нагрузкой
Устройство тензорезистора.
Как правило, тензорезистор весового измерительного датчика для весов представляет собой длинный проводник выполненный в виде змейки. При сжатии длина проводника уменьшается и сопротивление уменьшается, при растяжении длина увеличивается и сопротивление увеличивается.
Основной тензорезистор, его положение строго позиционировано, в примере 265 Ом
Измерительный тензорезистор устанавливается строго по меткам, позиционные метки расположены по трем сторонам.
Компенсационный тензорезистор, требования к позиционированию менее жесткие, в примере 20 Ом
Китайский тензодатчик.
Несмотря на привычный образ для китайской продукции – товар плохого качества. Китайские тензодатчики обладают довольно хорошими измерительными параметрами, и это не просто цифра на бумажке, а реальная цифра снимаемая с тензодатчика при измерениях. Но без ложки дегтя не обойтись, именно на китайских датчиках первый раз довелось увидеть деформацию балки, видимую даже невооруженным взглядом.
Тензодатчик 6кг (Китай) деформация видна без линейки
Тензодатчик 150кг (Китай) и снова деформация видна без измерительных приспособлений
Не то что бы тензодатчики других производителей (не Китай) работают безотказно, например при наезде на тензодатчик машиной, тензодатчик конечно выходит из строя, но на нем просто срезает резьбу, нарезаем новую резьбу и датчик снова исправен.
Определяем маркировку проводов для измерительного датчика весов.
Применяем теорию на практике. В качестве образца рассмотрим датчик с весов CAS DB H, у которого нам надо определить назначения контактов с датчика, а именно входные/выходные цепи.
|
Для справки. Весы CAS DB H со старым АЦП, дисплей люминесцентный с накалом. Напряжение питания может отличаться от весов с черным АЦП. |
Провода имеют цветовую маркировку и их 5 – черный, синий, зеленый, красный, белый. Черный откидываем сразу, он ни с чем не звонится – это экран. Будем отталкиваться от того факта, что большинство датчиков имеют выходное сопротивление измерительного моста кратным 350 Ом, а сами датчики подключены по мостовой схеме. Измеряем сопротивления между всеми выводами, получаем 6 значений:
- красный-белый 422 Ом
- синий-зеленый 350 Ом
- синий-красный 335 Ом
- зеленый-красный 335 Ом
- синий-белый 261 Ом
- зеленый-белый 261 Ом
Способ №1 классический.
Более быстрый, но дающий результат, в случае если датчик имеет выходное сопротивление измерительного моста кратное 350 Ом.
Как можно увидеть синий и зеленый провод являются контактами выходного сопротивления измерительного моста, так как сопротивление между ними кратно 350 Ом. Соответственно оставшиеся два контакта красный и белый — это контакты питания датчика.
Рис. Определяем входные и выходные цепи датчика с весов CAS DB H.
|
Для справки. Остальные данные по сопротивлению проводов весового датчика весов CAS DB H можно посмотреть здесь. Допускается отклонение сопротивления от указанных +-1 Ом. Стандартное напряжение питания датчика – это +5В, но датчики обычно рассчитываются на 12В. |
Способ №2 альтернативный.
Проверялся только на мостовой схеме, для других схем подключения может не подойти.
Находим контакты с максимальным сопротивлением, красный и белый провод имеют сопротивление больше всех , 422 Ом – это контакты для входного напряжения. Соответственно оставшиеся два синий и зеленый, есть контакты выходного сопротивления измерительного моста.
Мы намеренно опустили определение полярности входных и выходных групп контактов, что бы не перегружать материал информацией.
Определение полярности контактов для измерительного датчика весов (в разработке).
Вариант 1. (паспортное подключение)
Рис. Подключение тензодатчика по заводским параметрам.
Питание от 5В
- 0кг, на выходе 0мВ
- 20кг, на выходе 1мВ
- 40кг, на выходе 1,9мВ
Показания родного АЦП с весов
- 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,160
- 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,956
- 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,751
Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.
Вариант 2. (перевернутое подключение)
Рис. Подключение тензодатчика наоборот, на входе плюс подключаем к минусу, на выходе плюс соединяем к минусу.
Питание от 5В
- 0кг, на выходе 0мВ
- 20кг, на выходе 1мВ
- 40кг, на выходе 1,9мВ
Показания родного АЦП с весов
- 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,150
- 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,916
- 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,679
Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.
Как видно из показаний, данные АЦП несколько отличаются. В рабочем режиме весы начинают «врать», то есть показывать меньший вес, но если весы откалибровать — показания становятся правильными и весы становятся полностью работоспособными.
Вывод.
Фактически подключение не влияет на работоспособность весов в целом, но показания при разных подключениях имеют небольшое отличие. Тензодатчик можно заставить работать в обоих подключениях. Два других варианта подключения рассматривать не будем, так как показания вольтметра на выходе получаются отрицательными, а соответственно нас не интересуют.
Указанные в статье параметры диагностики тензодатчиков относятся к продукции группы компаний VPG выпускаемые под брендами: CELTRON, REVERE TRANSDUCERS, SENSORTRONICS, TEDEA-HUNTLEIGH. При диагностике тензодатчиков других производителей следует использовать параметры тестирования указанные в техническом паспорте тестируемого тензодатчика.
Тензодатчики предназначены для определения силы или веса в широком диапазоне неблагоприятных условий. Они не толькосамая важная часть системы электронного взвешивания, но и наиболее уязвимая.
Возможные причины выхода из строя тензодатчиков:- перегрузка- попадание молнии- скачки напряжения- воздействие химических веществ или влаги- неправильная установка- вибрации- ударные нагрузкиЭти причины могут привести к дрейфу нуля, неустойчивой передаче данных или её отсутствию вообще.К снижению точности показаний приводит обрезка длины стандартного кабеля тензодатчика, так как его сопротивление учитывается в общем сопротивлении указанном в паспорте тензодатчика.Данная статья рассматривает типовые проблемы при эксплуатации тензодатчиков и способы тестирования для выявления мест поломки комплекса весоизмерительного оборудования.
Не используйте мегомметры с рабочим напряжением более 50 вольт
, чтобы не допустить выхода из строя тензодатчика! • Для измерения баланса нуля потребуется подъемное устройство для снятия нагрузки (кран, гидравлический домкрат и т. д.)
Для сравнения используйте данные параметров тензодатчика указанные в сертификате калибровки, которым укомплектован каждый тензодатчик. В сертификате калибровки указываются точные значения входного и выходного сопротивления, сопротивление изоляции, баланс нуля, номинальная нагрузка и схема подключения.
Тестовые процедуры и анализ
На приведенной ниже диаграмме представлена предлагаемая последовательность действий при тестировании комплекса весоизмерительного оборудования.Для определения места неисправности необходимо произвести измерения на каждом тензодатчике отдельно.
Тест №2: Сопротивление изоляции
Сопротивление изоляции измеряется между контурами электрических цепей тензодатчика, корпусом датчика и экрана кабеля. Пред началом измерений отключить весовой индикатор от тензодатчика или тензодатчик от распределительной коробки в зависимости от схемы включения, далее соединить вместе все входы и выходы тензодатчика. Произвести замер сопротивления изоляции с помощью мегаомметра между соединенными проводами (четырьмя или шестью) и корпусом тензодатчика. Повторите измерение между теми же 4 или 6 выводами и экраном кабеля. Затем измерьте сопротивление изоляции междукорпус тензодатчика и экраном кабеля.Никогда не используйте мегаомметр для измерения входного сигнала иливыходного сопротивление тензодатчика, так как он работает с использованием величины напряжении которое превышает максимальное допустимое напряжение для цепей тензорезистора.Анализ результатов.Сопротивление изоляции всех тензодатчиков должно быть не менее 5000 МОм между тензорезистором и корпусом тензодатчика, тензорезистором и корпусом тензодатчика и экрана кабеля. Если сопротивление ниже этого значения, то это скорей всего это связано с губительным воздействием химических веществ или влаги на тензодатчик или кабель. Чрезвычайно низкие значения измерения (≤1 кОм) указывают на короткое замыкание, а не на воздействие влаги.Стабильность измерений параметров сопротивления изоляции так же может зависеть от окружающей температуры.
Тест №3: Целостность моста
Целостность моста проверяется путем измерения входного и выходного сопротивления, а также баланса моста. Отсоедините тензодатчик от соединительной коробки или весового терминала.Сопротивление на входе и выходе измеряется с помощью омметра для каждой пары входных и выходных сигналов. Сравните измеренное значение с значением указанным в сертификате калибровки тензодатчика или в технической документации к нему. Техническую документацию на тензодатчик вы можете найти на нашем сайте на странице тензодатчика вашей модели на вкладке «Документация».Баланс моста получается путем измерения значения сопротивления между:• минусовым выводом ВЫХОД и минусовым выводом ВХОД • минусовым выводом ВЫХОД и плюсовым выводом ВХОДРазница между обоими значениями измерений должна быть меньше или равна 1 Ом.Анализ результатов.Изменения мостового сопротивления или баланса моста чаще всего вызвано оборванным или или отгоревшим проводом, отказом электрического компонента или внутренним коротким замыканием. Чаще всего это происходит из-за бросков напряжения (молния или сварка), физического разрушения от ударной нагрузки, вибрации или усталости металла, воздействия высокой температуры или при использовании не совместимых компонентов в системе весоизмерительного оборудования.
Тест №4: Сопротивление удару
Если Вы не нашли ответ на интересующий вас вопрос, возможно он есть на форуме нашего сайта.
Универсальный тестер тензодатчиков LCT-Ultimate
Для профессиональной работы по диагностике и проверке тензодатчиков рекомендуем универсальный тестер тензодатчиков LCT-Ultimate который является автономным ручным устройством, которое было специально разработано для проверки и выявления неисправностей тензорезисторных элементов тензодатчиков. Отличительной особенностью данного тестера является наличие возможности проверки тензодатчика на усталость металла.
Вам так же могут быть интересны статьи:
- Цветовая маркировка проводов тензодатчиков
- Схема электрической цепи тензодатчика с описанием
Тензодатчики
Используемые источники:
- https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-tenzodatchik
- https://zipstore.ru/blog/tenzodatchik—kratkoe-opisanie-1/
- https://mashintertorg.ru/blog-ru/poisk-i-ustranenie-neispravnostey-v-rabote-tenzodatchikov
Загрузка...
Тензодатчик с HX711 для построения своих весов и автоматизации процессов
Как отремонтировать напольные весы: электронные и механические
Мультиметры М832: устройство и ремонт
Что такое поверка и калибровка весов?