Tenzometry pro vážení cementových sil: Principy a zapojení

Tenzometr je odporový senzor, u něhož se využívá tzv. jevu změny elektrického odporu kovových vodičů nebo polovodičů. Tyto změny jsou zpravidla vyvolány tlakem nebo tahem a řídí se Ohmovým zákonem. První tenzometr (anglicky Strain gage), převodník deformace (prodloužení, prohnutí) na změnu odporu, byl poprvé prakticky sestrojen v roce 1938 a od té doby se používá v mnoha oblastech průmyslu. Například je využívají stavbaři, architekti, projektanti, automobilový a strojírenský průmysl a také se najdou při měření tlaků a sil v pneumatických zařízeních apod.

Na první pohled neviditelné se tenzometry objevují v oblasti topení, vzduchotechniky, kde jsou schovány miniaturní integrované křemíkové tenzometry v senzorech a snímačích tlaku a síly. Prostě všude tam, kde je nutné přímo elektricky měřit nebo monitorovat deformaci nějakého objektu pevného skupenství.

Princip činnosti a typy tenzometrů

Tenzometrie (z latinského tensus - napjatý) je metoda a technika měření stavu napětí a deformace měřeného objektu nebo konstrukce. Mechanické napětí nelze měřit přímo, takže úkolem je změřit deformaci objektu a napětí vypočítat pomocí speciálních technik, které zohledňují fyzikální vlastnosti materiálu.

Tenzometry jsou založeny na deformačním efektu, což je vlastnost pevných materiálů měnit svůj odpor při různých deformacích. Tenzometry jsou zařízení, která měří pružnou deformaci pevného tělesa a převádějí ji na elektrický signál. Tento proces probíhá tak, že se mění odpor vodiče senzoru při jeho natahování a stlačování. Jsou základním prvkem zařízení pro měření napětí v pevných látkách (např. strojních součástech, konstrukcích, budovách).

Srdcem tenzometru je tenzometrický snímač, který je vybaven speciálními kontakty připevněnými na přední straně měřicí buňky. Během měření se citlivé kontakty na panelu dotýkají objektu. Tato deformace se měří a převádí na elektrický signál, který se přenáší do zpracovatelských a zobrazovacích prvků tenzometru. Změny odporu jsou zde nejčastěji dány změnou parametru délky vodiče o Δl.

Obvykle nás však zajímá relativní změna odporu ΔR/R, kde R je nominální odpor tenzometru v základním nenamáhaném stavu (F= 0 N). Častěji se však udává koeficient K, tj. součinitel deformační citlivosti, pro který platí vztah ΔR/R=K * ε. Veličina ε představuje relativní deformaci tenzometru ve směru délky tenzometru. Pro kovové tenzometry je typická hodnota K = 2, i když jsou zde odchylky dle materiálu.

Důležitým faktorem je požadovaná přesnost měření. Například vážicí čidlo nákladní váhy v pekárně se nevyrovná elektronické lékárenské váze, kde je důležitá každá setina gramu.

Drátové a fóliové tenzometry

První tenzometry byly samozřejmě kovové drátkové. V roce 1952 pak vznikl tzv. tenzometr fóliový. Tenzometry navíjené na kolečka jsou vyrobeny ve formě cívek z drátu o malém průměru a jsou připevněny ke zkoušenému pružnému prvku nebo obrobku pomocí lepidla. Jejich charakteristiky jsou:

• snadnost výroby;
• lineární závislost na deformaci;
• malé rozměry a cena.

Nevýhodou je nízká citlivost, vliv teploty a vlhkosti na chybu měření, možnost použití pouze v oblasti pružné deformace.

Fóliové tenzometry se ve velkém množství využívají i dnes, kdy jim konkurují polovodičové (křemíkové) tenzometry. Tenzometry jsou v současnosti nejrozšířenějším typem tenzometrů díky svým vysokým metrologickým vlastnostem a možnosti výroby. To je možné díky fotolitografické technologii jejich výroby. Nejmodernější technologie umožňuje vyrábět jednotlivé tenzometry se základnou 0,3 mm, speciální tenzometrická pouzdra a tenzometrické řetězce s širokým rozsahem provozních teplot od -240 do +1100 ºС v závislosti na vlastnostech materiálů měřicí mřížky.

Křemíkové tenzometry se sice vyznačují až 60x větší citlivostí, tj. změnou odporu na změně délky, ale naopak linearitou a přesností je trumfují právě fóliové. Fóliové tenzometry jsou vyráběny v nejrůznějších tvarech a skupinách pro měření různě tvarovaných objektů a působení sil z různých směrů.

Na nosné izolační vrstvě (nosič) obdélníkového tvaru tloušťky cca 20 až 50 μm, která je z polyamidu nebo sklem vyztuženém fenolovém filmu, je upevněn měřící odporový meandr (měřící mřížka) o tloušťce 3 až 6 μm, určité délky, šířky a klidového odporu R (obvykle 100, 120, 350, 700 nebo 1000Ω). Meandr je obvykle vyráběn fotolitografickou technikou z kovových fólií materiálů konstantan, karma (slitina chromu a niklu). Na povrchu je pak senzor pokryt krycí vrstvou tloušťky okolo 30 μm a vyvedeny jsou buď pájitelné plošky nebo již přímo vodiče. Takové provedení tenzometru velmi dobře kopíruje měřenou deformaci a lze i zatěžovat i značnými proudy s hustotou až 100 A/mm2.

Porovnání parametrů kovových a křemíkových tenzometrů

Dále pak zajímavé jsou parazitní parametry jako například parazitní teplotní závislosti odporu tenzometru (αR) a konstanty K (αK) nebo rozdílná teplotní roztažnost objektu a tělíska senzoru. Ta poslední vlastnost se řeší rozdílným upravením tenzometru pro různé materiály, na které má být připevněn (např. ocel, hliník, krystal, plastické hmoty apod.).

Níže uvedené tabulky porovnávají parametry slitin používaných pro kovové tenzometry a monolitických křemíkových tenzometrů.

Tabulka 1: Parametry slitin používaných pro kovové tenzometry

Tabulka 2: Porovnání křemíkových a kovových tenzometrů

V porovnání parametrů s křemíkovými (monolitickými) tenzometry jsou, mimo parametr K, kovové senzory lepší.

Zapojení tenzometrů do můstku

Pro omezení vlivu všech rušení se nevyužívá kompenzačního tenzometru, čtyřvodičového zapojení senzoru nebo častěji zapojení tenzometrů do můstku (Wheatstoneova můstku) podobně jako u kovových teplotních odporových senzorů typu Pt100. Tenzometry se většinou zapojují do Wheatstoneova můstku. Proč se tenzometry zapojují do můstku?

Zde jsou na můstek kladeny velké nároky, protože rozlišovací schopnost mechanického napětí tenzometrů odpovídá hodnotám deformace 1μstrain (ε = 10-6). Při konstantě K = 2, napájení můstku jednotkami V a odporech tenzometrů 100 Ω, jsou změny napětí v řádu μV a odporu v řádu μΩ.

Tenzometrické snímače (např. snímače UTILCELL) o jmenovitém odporu 120 Ω, popř. 250 Ω, 350 Ω a 600 Ω, v sobě obsahují odpory pro doplnění můstku. Standardní snímač zatížení pro váhy má čtyři různě barevné vodiče: dva vstupy jsou napájecí (+Ex, -Ex), další dva jsou měřicí výstupy (+Sig, -Sig).

Existují také varianty s pěti vodiči, kde další vodič slouží jako stínění pro všechny ostatní vodiče. Fungování nosníkové zatěžovací buňky je poměrně jednoduché. Na vstupy se přivádí napájení a z výstupů se odebírá napětí. Velikost napětí závisí na zatížení měřicího senzoru. Pro účely měření v praxi lze uvažovat, že vztah mezi silou (hmotností) působící na snímač a změnou výstupního napětí ze snímače je lineární.

Snímače se 4-mi vodiči předpokládají, že vyhodnocovací jednotka bude poblíž (např. obchodní váha, která má integrovaný snímač přímo u vyhodnocení). Dvěma vodiči se napájí můstek ze zdroje napětí (přímo vyhodnocovací jednotka nebo externí zdroj) a dalšími dvěmi vodiči se snímá signál, který je přímo úměrný změně hmotnosti nebo síly působící na snímač. Kabel snímače je stíněný, a je nutno vědět, že na straně snímače, stínění není zapojeno na kostru snímače.

Pokud je délka vodiče od snímače zatížení k jednotce ADC značná, pak odpor samotných vodičů ovlivní údaj na stupnici. V tomto případě je vhodné přidat zpětnovazební obvod, který kompenzuje úbytek napětí korekcí chyby odporu vedení vnesené do měřicího obvodu. V tomto případě bude schéma zapojení obsahovat tři páry vodičů: napájecí, měřicí a kompenzační.

Případné další dva vodiče slouží jako měřicí vodiče kterými se měří napájecí napětí přímo u snímače a umožňuje korigovat změny napájecího napětí, přímo vyhodnocovací jednotkou. V případě, že snímač je 6-ti vodičový a nepoužívá se tato elektronika, potom je nutné spojit napájecí vodiče a SENSE vodiče a to vždy +Napájení s +SENSE a -Napájení s -SENSE. Snímače UTILCELL se napájí nominálně 10V ss. Při nominální citlivosti snímače 2 mV/V, bude potom maximální výstupní napětí 20mV ( 2mV/V x 10V = 20mV). Jelikož přesné citlivosti 2mV/V nemusí být docíleno, snímače jsou dodávány s informací o hodnotě citlivosti ( např. 1,9855 mV/V) takže lze znát přesně maximální výstupní napětí ze snímače, samozřejmě, pokud se nezmění délka vodiče, protože tato citlivost je také závislá na tomto parametru.

Proto se nejčastěji využívá tzv. plného můstku složeného ze čtyř aktivních senzorů. To poskytuje výhody anulujícího činitele nelinearity, čtyřnásobné citlivosti, nulové chyby vlivem teploty i zanedbatelné chyby přívodů.

Základní zapojení je na obrázku (obr.4). Snímací prvky jsou napájeny napájecím napětím. Když je měřicí těleso vystaveno tahu/tlaku, mění se odpor v mřížce tenzometru a tím i výstupní napětí. Protože změny odporu jsou v rozsahu několika mV/V, je signál napětí zpracován v následujícím zesilovacím obvodu pro další zpracování.

Výhody zapojení do můstku

Použití tenzometrů zapojených do Wheatstoneova můstku pro měření deformací a sil přináší řadu výhod:

• Vyšší citlivost: Zapojení více tenzometrů do můstku výrazně zvyšuje citlivost měření, což umožňuje detekovat i malé deformace.
• Kompenzace teplotních vlivů: Jednou z hlavních výhod je schopnost můstkového zapojení kompenzovat teplotní závislost odporu tenzometrů. Tím se minimalizuje vliv teplotních změn na přesnost měření.
• Linearizace výstupního signálu: Můstkové zapojení pomáhá linearizovat výstupní signál, což usnadňuje interpretaci a zpracování naměřených dat.
• Odstranění parazitních vlivů: Zapojení do můstku eliminuje některé parazitní vlivy, jako je šum a interference, což vede k čistšímu a spolehlivějšímu signálu.
• Možnost měření různých typů deformací: Různá uspořádání tenzometrů v můstku umožňují měření axiálních, ohybových, smykových i torzních deformací.

Typy snímačů zatížení a jejich použití

V závislosti na oblasti funkčního využití se snímače liší jak typem, tak druhem měřené hodnoty.

Snímače točivého momentu

Snímače točivého momentu jsou určeny k měření točivého momentu rotujících částí, jako je kliková hřídel motoru nebo sloupek řízení. Snímače točivého momentu mohou určovat statický i dynamický točivý moment kontaktním nebo bezkontaktním (telemetrickým) způsobem.

Nosníkové, konzolové a okrajové zatěžovací buňky

Tyto typy senzorů jsou obvykle založeny na paralelogramové konstrukci s integrovaným ohybovým prvkem pro vysokou citlivost a linearitu měření. Tenzometry jsou připevněny k citlivým částem pružného prvku snímače a jsou zapojeny v plném můstkovém uspořádání.

Konstrukčně má tenzometr nosníku speciální otvory pro nerovnoměrné rozložení zatížení a detekci tlakových a tahových deformací. Pro dosažení maximálního účinku jsou tenzometry orientovány přesně k povrchu nosníku v jeho nejtenčím místě pomocí speciálních značek. Vysoce přesné a spolehlivé snímače zatížení tohoto typu se používají k vytvoření vícesenzorových měřicích systémů v plošinových nebo zásobníkových vahách. Používají se také v dávkovacích vahách, plničkách sypkých hmot a kapalin, měřičích napětí kabelů a dalších snímačích zatížení.

Tahové a kompresní snímače zatížení

Tahové a kompresní snímače zatížení mají obvykle tvar písmene S a jsou vyrobeny z hliníku nebo nerezové oceli. Určeno pro zásobníkové váhy a váhy s měřicím rozsahem 0,2 až 20 tun. Snímače tahu a tlaku typu S lze použít ve strojích na výrobu kabelů, tkanin a vláken ke sledování tahové síly těchto materiálů.

Montáž a kalibrace tenzometrů

Aby se mohly tenzometry využít, musí se nejdříve připevnit. K tomu se používají speciální tmely a lepidla, které nezvětšují chybu měření svou teplotní roztažností. Ty lepidla obvykle dodává každý výrobce a prodejce tenzometrů.

Pro měření různých sil a deformací se používá určitého vhodného zapojení tenzometrů umožňující s co největší citlivostí a přesností. Na níže uvedených obrázcích je naznačeno měření čtyřmi tenzometry 1 až 4, obvykle zapojených do můstku, upevněných na namáhaném nosníku, který je ohýbán silou Fv. Různé pozice připevnení tenzometrů 1- 4 měří různé deformace nosníku: měření axiální deformace (obr. vlevo nahoře), měření ohybu na nosníku (obr. vpravo nahoře), měření torzní deformace použitím dvou "dvojitých" křížových tenzometrů pootočených o 45° (obr.

Aby byla zajištěna správná a bezpečná instalace snímačů síly, je třeba dodržovat některá důležitá základní pravidla. Vždy aplikujte zátěž vertikálně a rozložte ji rovnoměrně a přesně na snímač. Břemeno musí být aplikováno co nejpřesněji ve směru měření siloměru. U kombinovaných zátěží je třeba určit skutečnou linii působení síly (výsledný vektor síly) a podle toho seřídit polohu tenzometru. Komponenty, které se chovají odlišně, jako jsou excentrické zátěže, boční síly nebo točivý moment, jsou rušivé proměnné a zkreslují signál měření. Kromě toho může být senzor nevratně deformován. Deformace nebo mechanické úpravy (např. vrtání otvorů do profilu) se nesmí provádět!

Siloměry s integrovanou elektronikou jsou kalibrovány pouze v jednom směru, buď pro tah nebo tlak. Nulový bod a citlivost se nastavují podle montážní polohy (svislá nebo zavěšená) nebo směru zatížení (tlak nebo tah).

Ochrana proti přetížení a vibracím

Při návrhu aplikace pro měření síly je nutné přesně dodržet uvedenou jmenovitou sílu, aby se vyloučily nejistoty měření, nebo v kritických případech zamezilo zničení snímače nevratnou deformací. Pokud mechanická konstrukce aplikace pro měření síly nemůže vyloučit, v kritickém případě, možnost výskytu přetížení, musí být instalována vhodná opatření pro ochranu snímače. Instalace snímače do montážního kitu může při kompresi zabránit jeho nevratné deformaci.

Zvláštní pozornost je třeba věnovat při zavěšené poloze siloměru, který je namáhán na tah. V případě zavěšených břemen je třeba přidat opatření (např. řetězy nebo závěsná lana namontována rovnoběžně se siloměrem). V opačném případě se může senzor při přetížení rozbít/roztrhnout a zátěž může spadnout. Zejména siloměry musí být instalovány na pevnou podložku podle montážního návodu. Je třeba zabránit, aby se podložka ohýbala. Nosná konstrukce určená k montáži by měla být dostatečně velká a mít pokud možno rovnou montážní plochu.

Nárazy a vibrace ovlivňují výsledek měření (síla F = hmotnost „m“ x zrychlení „b“), např. superpozicí ve statických měřeních. Při navrhování měřicích rozsahů je třeba vzít v úvahu příslušné dynamické síly a zabránit přetížení převodníku dynamickými změnami zatížení. Rezonanční frekvence různých deformovatelných těles závisí mimo jiné na jejich hmotnosti a tuhosti (mechanické impedanci).

Praktické aplikace tenzometrů

Tenzometry se ve velkém množství používají všude tam, kde se cokoliv pevného deformuje. Vážení nádrží, sil, zásobníků a násypek lze využít pro kapalné, plynné i pevné látky a to jak pro sypké materiály, tak pro materiály nesypké. Vážní systém je zpravidla umístěn na konstrukci, na kterou se zavěšuje násypka nebo pod zásobníkem. Protože se vážní systémy umisťují vně zásobníků, mohou se vážit i materiály zmrazené, horké, agresivní nebo nenivelizující.

Konkrétní příklady použití zahrnují:

• Součást konstrukce vah (např. jeřábová váha, plošinové váhy).
• Měření deformačních sil při tváření kovů na kovacích a válcovacích lisech.
• Sledování napěťově-deformačních stavů stavebních konstrukcí a stavebních objektů během jejich montáže a provozu.
• Vysokoteplotní senzory z žáruvzdorné legované oceli pro hutní provozy.
• S pružným prvkem z nerezové oceli pro měření v chemicky agresivním prostředí.
• Pro měření tlaku v ropovodech a plynovodech.
• Pro projekty a testování maket i hotových letadel, kde sledují veškeré namáhané části.

Jednoduchost, pohodlí a zpracovatelnost snímačů zatížení jsou hlavními faktory pro jejich další aktivní zavádění, a to jak v metrologických procesech, tak i při použití v každodenním životě jako měřicích prvků domácích spotřebičů.

tags: #tenzometry #pro #vazeni #cementovych #sil #zapojeni

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce lesklou dlažbou pro obývací pokoj
• proč zvolit papírovou pásku pro pevné spoje sádrokartonu
• Od surrealistické poezie k sanaci vlhkého zdiva
• Vše o akátovém řezivu
• Jak vyrovnat dřevotřískovou podlahu