Strain gauge.
Tensometry a po angielsku strain gauge ( geneza nazwy: tensus - napiety, metreo - mierze ) zostaly wynalezione w 1938 roku. W praktyce zawsze sa to mostki tensometryczne. Sluza do pomiaru sily, masy, przyspieszenia, cisnienia. Podstawy tensometrii znane sa z literatury i jako wiedze podstawowa pomijamy ja.
Na gietkim plastikowym podlozu jest trwale umocowany mostek Wheatstone, ktorego cztery rezystory tworzace rozne geometryczne wzory ( wezyk... ) wykonane sa z cienkiej foli o grubości od 0.0025 mm do 0.025 mm, z reguly z konstantanu czyli stopu 55% miedzi i 45% niklu. Stosuje sie do ich produkcji technologie produkcji plytek drukowanych, oczywiscie zmodyfikowana.
Podloze tensometru mocuje sie do podlegajacego odksztalceniu obiektu klejem cyjanoakrylowym lub wskazanym przez producenta innym klejem. Zlacze kleju musi wykazywac brak pełzania pod obciążeniem, byc wytrzymale i dobrze tolerowac czynniki srodowiskowe.
Powierzchnia obiektu musi byc starannie przygotowana - czysta i gladka. Sa tensometry przeznaczone do zamontowania na betonie.
Oczywiscie powierzchnia tensometru jest starannie zabezpieczona przed wilgocia i korozja. Choc na pierwszy rzut oka kawalek dziwnej, cienkiej plytki drukowanej czyli foli z wzorkiem z constantanu wydaje sie dosc prosty do wykonania to diabel jak zawsze tkwi w szczegolach.
Mostek tensometryczny trwale przykleja sie do podlegajacych odksztalceniu stalowych elementu mostu, dzwigu czy elementow wysokiego budynku. System monitoringu mostu, dzwigu czy budynku czy innej kostrukcji mozna i trzeba wyskalowac. Przykladowo dzwig podnosi ladunek o dokladnie znanym ciezarze zblizonym do mozliwosci operacyjnych dzwigu. Na most moga wjechac zwazone ciezkie ciezarowki z piaskiem.
W przypadku dzwigu system ostrzega operatora ze przenoszony ladunek w ponad 80% wykorzystuje mozliwosci dzwigu oraz blokuje probe podniesienia zbyt ciezkiego ladunku. Nie blokowane jest tylko tylko opuszczenie ladunku. Blokuje takze mozliwosc wyjscia ramienia dzwigu poza obszar bezpiecznej pracy co groziloby przewroceniem dzwigu. Potezne dzwigi przenosza ciezkie i cenne ladunki. Dzwigi portowe szybko przeladowuja kontenery. Ogromne straty spowodowaloby przewrocenie dzwigu portowego czy uszkodzenie dzwigu i zbiornika reaktora na budowie elektrowni jadrowej.
System monitoringu mostu i budynku pokazuje naprezenia w konstrukcji powodowane przez silny wiatr. Gdy obiekt wykazuje niebezpieczne i niedopuszczalne rezonanse to trzeba podjac modyfikacje obiektu aby je "rozstroic". Mimo iz symulacja komputerowa budowanego obiektu powinna wychwycic wady to lepiej sie upewnic jak rzecz ma sie faktycznie bowiem przykladowo mogly zostac uzyte inne materialy niz wymagal projekt.
W przemysle mierzy sie ciezar zbiorników magazynujących surowce. Mierzy sie ciezar zbiornikow mieszalniczych w czasie dozowania. Wazy sie platformy najazdowe z surowcem. W konstrukcjii maszyn uzywa sie do tego zadania "load cell".
Producent kalibruje load cell szlifujac czy nacinajac material load cell.
Load cell ma okreslony przez producenta zakres pomiarowy i czulosc wyrazona w mV/V jako ze jest to sensor ratiometryczny.
Load cell ma z reguly dodane rezystory kompensujace wspolczynnik temperaturowy skali do ponizej 0.005%FS/C i niezrownowazenie mostka dla zerowej sily. Mimo tego niezrownowazenie moze wynosic typowo do 5% zakresu. Podana jest liniowosc ( typ 0.2%), histereza ( 0.15% ), powtarzalnosc ( 0.05% ) oraz tolerancja przeciazenia ( 50% ). Duze przeciezenie ( >150% ) prowadzi do trwalego odksztalcenie metalu load cell i de facto jego zniszczenia. Tym istotniejsza jest praca systemu w petli sprzezenia zwrotnego.
Rezystancja galezi mostka tensometrycznego jest niewielka i czesto jest to nominalne 350 Ohm z duza tolerancja. Tyle zobaczymy na omomierzu od strony zaciskow zasilanych i wyjscia mostka tensometrycznego nieprzylaczonego do systemu. Omomierzem stwierdzimy tez uszkodzenie load cell lub przewodu polaczeniowego. Opornosc miedzy wyjsciem a zasilaniem to wartosc rownolegle polaczonych opornikow 350 i 3x350 Ohm czyli 253 Ohm
Opornosc mostka zmienia sie w funkcji temperatury tak jak opornosc uzytego konstantanu czy innego materialu tensometru. Wspolczynnik temperaturowy konstantanu jest inny niz miedzi przewodow polaczeniowych a dodatkowo przewody moga byc w innej temperaturze niz sam mostek. Powoduje to niewielkie zmiany napiecia zasilania mostka i jego czulosci pod wplywem zmian temperatury Gdy opornosc przewodu polaczeniowego jest istotna to napiecie do mostka doprowadza sie w czteroprzewodowym ukladzie Kelwina - "4-wire Kelvin connection". Kabel na wowczas 6 przewodow. Uklad zasilajacy stabiluzuje wtedy napiecie na mostku tensometrycznym a nie na swoim wyjsciu. Przy krotkich polaczeniach o duzym przekroju uklad Kelvina jest zbedny.
Z racji dosc malej opornosci mostka moc zasilania doprowadzona do mostka jest niebanalna jak na uklady sygnalowe ale mostek jest dosc dobrze chlodzony. Produceni podaja rekomendowane ( typ 10 V) i maksymalne ( 15V ) napiecie zasilajace. Sygnal wyjsciowy jest proporcjonalny do napiecia zasilania mostka i przy czulosci 1-4 mV/V i zasilaniu 10V wynosi na pelna skale 10-40mV.
Sygnal z mostka tensometrycznego jest ogolnie dosc maly a wymagania na dokladnosc pomiaru sa czasem wysokie.
NB. Optymalne i pozadane pamo czestotliwosci zalezy od zastosowania. Gdy mierzymy dynamiczne obciazenie lozysk to pasmo musi byc calkiem szerokie. Ale zazwyczaj filtry dolnoprzepustowe eliminuja zaklocenia pochodzace od rezonansow mechanicznych poza pasmem pomiarowym. Rezonansow w roznych konfiguracjach sprezystosci i mas moze byc duzo.
Wymagania na wzmacniacz instrumentalny dla mostka tensometrycznego moga byc bardzo wysokie. Rozdzielczosc pomiaru wynosi 1000 do 50 000 razy !
Opornosc wyjsciowa mostka rosnie wraz z temperatura. Opornosc wejsciowa IA powoduje wiec temperaturowy blad wzmocnienia. Stad przydatnosc IA wykonanego na jednym wzmacniaczu operacyjnym jest niewielka jako ze jego opornosc wejsciowa wynika z wejsciowych rezystorow ktore musza byc niewielkie bowiem powoduja dryft temperaturowy i szumy.
Czy potrzebna a moze konieczna jest az tak wielka i trudna do osiagniecia wartosc wspolczynnika CMR=140 dB. Rozwazmy temat.
Przy zasilaniu dwuprzewodowym przy zmianach temperatury napiecie wspolne ( czyli common ) wynosi polowe napiecia zasilania i zmienia sie niewiele. Przy zasilaniu czteroprzewodowym napiecie znow wynosi polowe zasilania ale odrobine zmienia sie napiecie zasilajace. Niemniej w obu przypadkach nie widac potrzeby szalenie wielkiego wspolczynnika CMR.
Oczywiscie potrzebne jest tlumienie zaklocajacych sygnalow zmiennopradowych ale znow nie az tak wielkie.
Temat Instrumental Amplifier omowiono osobno i ma ma potrzeby powtarzania informacji.
Wymagania na IA zaleza od zastosowania. Sa one dosc liberalne dla wiekszosci zastosowan tensometrow ale tam gdzie przy ciezarze 50 ton wymagana jest rozdzielczosc 1 kilograma sa trudne do spelnienia. Sama load cell limituje dokladnosc pomiaru i nonsensem jest stosowanie wyrafinowango IA do typowego sensora
Produkowane sa piezorezystancyjne krzemowe mostki tensometryczne najczesciej sluzace od razu do pomiaru cisnienia lub do pomiaru malych sil na przyklad w malych ( takze przenosnych ) wagach.
Sensor cisnienia KP101A firmy Philips w obudowie DIL6 ma na sobie sztywna rurke - krociec o srednicy 3 mm gdzie plastikowa elastyczna rurka mozna doprowadzic mierzone cisnienie.
Ten sensor omowiony jest osobno.
Wydaje sie ze takie sensory w miare umasowienia produkcji beda tanie i znajda liczne zastosowania.
Super blog, można się z niego bardzo dużo dowiedzieć.
OdpowiedzUsuń