Newsletter WObit

Skuteczne pomiary siły – przegląd rozwiązań

Skuteczne pomiary siły – przegląd rozwiązań

Przemysł, rolnictwo, laboratoria badawcze, infrastruktura i wiele innych dziedzin nie mogłoby dziś sprawnie funkcjonować bez urządzeń kontrolujących masę detalu. Kluczowym elementem takich urządzeń są tensometryczne  czujniki siły popularnie nazywane  czujnikami siły lub tensometrami. Najszerzej stosowane są czujniki oporowe, które charakteryzują się wieloma zaletami takimi jak duża czułość i dokładność, małe wymiary, odporność na drgania i wstrząsy czy możliwość pracy w wysokich temperaturach i ciśnieniach.

Najczęściej spotykane są gotowe czujniki w postaci tensometru foliowego przyklejonego do obudowy. W zależności od konstrukcji elementu nośnego (obudowy) czujnik taki może służyć do pomiaru małych sił w zakresach pojedynczych niutonów, jak i ogromnych sił liczonych w setkach kiloniutonów.

W ofercie WObit dostępne są czujniki siły w wersji ze wbudowaną elektroniką (wyjście 0-10 V, 4-20 mA lub 0.5-4.5 V) oraz bez wbudowanej elektroniki (sygnał wyjściowy określany stałą charakterystyczną wyrażoną w mV/V).

Budowa i zasada działania czujnika siły

Czujnik siły ma korpus sprężynowy, najczęściej wykonany ze stali nierdzewnej lub aluminium. Do korpusu przyklejone są elementy pomiarowe, tzw. tensometry. Parametrem tensometru foliowego jest rezystancja elektryczna, która zmienia swoją wartość w wyniku zmiany mechanicznej. Siła działająca na korpus jest zatem przekształcana w zmianę oporu elektrycznego. Na korpusie sprężyny znajdują się zwykle cztery tensometry i są one połączone w mostek elektryczny (mostek Wheatstone'a, mostek tensometryczny). Schemat połączeń pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Schemat połączeń czujnika siły.

Używając czujnika siły z mostkiem tensometrycznym w praktyce, konieczne jest zapewnienie: 1. zasilania czujnika napięciem stałym o wartości niezmiennej w czasie oraz 2. wzmocnienia napięcia wyjściowego, które zwykle jest bardzo niskie, zwykle osiągając od kilkudziesięciu µV  do wartości 10-20 mV. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu zewnętrznych wzmacniaczy sygnału lub specjalnych kart do komputera PC, lub PLC.

Czujniki bez wzmacniacza sygnału

WObit proponuje tensometry o bardzo szerokim zakresie pomiarowym, począwszy od poziomu 0-10 N (KM200) aż do 2000 kN (EMS130). W zależności od serii, czujniki poza zakresem pomiarowym różnią się kształtem korpusu – dostępne są czujniki okrągłe (KMM30, KMM50), belkowe (KM701, KM801), a także S-kształtne (K1505, KM500). Do pomiaru obciążeń ściskających i rozciągających przeznaczone są czujniki cylindryczne (EMS150), okrągłe z wyprowadzonymi gwintami (KMM20, KMM40) oraz S-ksztaltne (KM1506, KM1603).

Urządzenia współpracujące

Najpopularniejszym wzmacniaczem do tensometrycznych czujników siły jest WDT11. Dzięki cyfrowemu przetwornikowi układ pozwala precyzyjnie mierzyć siłę i konwertować ją na sygnał analogowy prądowy 4-20 mA lub napięciowy 0-10 V oraz cyfrowy (RS485). Wbudowany interfejs RS485 z protokołem MODBUS-RTU pozwala na bezpośrednią komunikację jednego lub kilku modułów ze sterownikiem PLC czy panelem HMI. Możliwe jest podłączenie do 32 modułów na jednej magistrali.

W przypadku aplikacji wymagających zastosowania kilku czujników polecamy 4-kanałowy moduł ADT42. Dzięki zastosowaniu precyzyjnego 20-bitowego przetwornika urządzenie pozwala na bardzo dokładny pomiar sił.

W aplikacjach, w których potrzebne jest lokalne wyświetlanie wyników, dobrze sprawdzi się wskaźnik pomiarowy MD150T. Moduł ten pozwala na dokonywanie pomiarów z rozdzielczością dochodzącą do 0,001% w odniesieniu do zakresu. Wynik może zostać przeskalowany na dowolną jednostkę siły lub masy.

Zarówno ADT42 jak i MD150T umożliwiają archiwizację realizowanych pomiarów do pliku CSV dzięki bezpłatnym aplikacjom ADT42-PC oraz MD150T-PC. Zapis na PC realizowany jest poprzez komunikację USB na komputer z systemem Windows.

Czujniki siły ze wbudowanym wzmacniaczem 

Inną opcją jest wbudowanie wzmacniacza sygnału bezpośrednio w czujnik. Czujnik ze wbudowanym wzmacniaczem sygnału ma takie same właściwości mechaniczne jak czujnik standardowy. Jednak nie wymaga żadnych innych komponentów do zastosowania i po podłączeniu do napięcia zasilającego sygnał można przyłożyć bezpośrednio do wejścia przetwornika AD. Strukturę wewnętrzną takiego czujnika pokazano na rys. 2.

Rys. 2. Czujnik siły z wbudowanym wzmacniaczem sygnału.

Czujniki ze wbudowanym wzmacniaczem sygnału są również oferowane przez firmę WObit. Dostępne są nowe w ofercie czujniki typu KMM20e, KMM40eKMM50e, wszystkie ze wbudowanym wzmacniaczem sygnału. Wbudowany wzmacniacz sygnałów zastosowany w czujnikach to EMS165.

Czujniki siły KMM20e, KMM40eKMM50e

Te czujniki membranowe są przeznaczone do uniwersalnego zastosowania. Mają prostą konstrukcję i są wykonane ze stali nierdzewnej lub aluminium. Mogą być stosowane do pomiaru siły rozciągającej lub ściskającej (oprócz KMM50e). Wbudowany wzmacniacz sygnału EMS165 jest zasilany napięciem 5 VDC, więc możliwe jest zasilanie czujnika przez USB. Jest to zaleta szczególnie w komputerowych systemach pomiarowych. Dlatego są one głównie stosowane w laboratoriach do testowania lub w maszynach do testowania.

Parametry KMM20e, KMM40eKMM50e

Zakres pomiarowy

- KMM20e 100 N ... 5 kN

- KMM40e 1 ... 50 kN

- KMM50e 100 N ... 500 kN

Napięcie zasilania 5 VDC ± 5%

Napięcie wyjściowe:

- Obciążenie w jednym kierunku

    (ściskanie lub rozciąganie) 0,5 V ... 4,5 V.

- Obciążenie w obu kierunkach

    (ściskanie i rozciąganie) 0,5 V ... 2,5 V ... 4,5 V.

Rys. 3. Czujnik siły KMM40 (KMM40e).

Jeśli artykuł Cię zainteresował i widzisz potrzebę kontroli siły lub pomiaru wagi zapraszamy do kontaktu z naszymi specjalistami. Doradzą oni, jaki czujnik będzie odpowiedni do Twojej aplikacji. Skontaktuj się tutaj.

wróć do listy artykułów
wróć na stronę główną