Ogniwo obciążnikowe / Przetwornik siły

Czujniki do siłomierzy lub urządzenia do pomiaru siły nazywane są przetwornikami siły. Przetworniki siły mogą mieć różne kształty i rozmiary. Przetworniki siły o płaskim cylindrycznym kształcie są często nazywane czujnikami siły. Obecnie termin ogniwo obciążnikowe jest również używany w innych projektach. Istnieją przetworniki siły, które są na stałe podłączone do wskaźnika siły, ale są też przetworniki siły, które można podłączyć do różnych urządzeń do pomiaru siły lub wskaźników siły. Przetworniki siły zewnętrznej mają tę zaletę, że punkt pomiarowy i punkt wyświetlania mogą być oddalone przestrzennie i mogą być stosowane również tam, gdzie przestrzeń jest bardzo ograniczona. W przypadku niektórych zasad pomiarów elektrycznych sygnały z kilku przetworników siły mogą być oceniane razem. Ta opcja jest często stosowana w technice ważenia. Ponieważ masę można wyznaczyć z siły ciężkości, gdy znana jest wartość grawitacji, przetworniki siły są stosowane w wielu wagach. Specjalne przetworniki siły mogą rejestrować kilka kierunków siły wzdłuż jednej osi lub wartości dla kilku osi siły jednocześnie.
Wytyczne VDI 2638 regulują parametry przetworników siły. Zgodnie z komunikatem prasowym VDI
Wytyczne, definiując parametry przetworników siły, „umożliwiają konsumentowi jednoznaczne przypisanie właściwości produktu i wybór w oparciu o potrzeby”.

Przetwornik siły sprężyny
Proste mechaniczne przetworniki siły mogą być wykonane z metalowych sprężyn spiralnych. Jeśli spiralna sprężyna jest pchana lub ciągnięta wzdłuż osi, zmiana długości w zakresie pomiarowym jest proporcjonalna do przyłożonej siły. Po odciążeniu przetwornik siły sprężyny powraca do swojego pierwotnego kształtu. W zależności od materiału, grubości materiału oraz rodzaju i liczby zwojów, sprężyny mogą być zaprojektowane na różne zakresy pomiarowe. Ugięcie sprężyny jest wyświetlane na skali jako wartość siły. Niektóre dynamometry sprężynowe po załadowaniu pociągają również oddzielną wskazówkę podrzędną, która po zwolnieniu nie wraca do pozycji wyjściowej. Pozwala to zaoszczędzić maksymalną wartość serii pomiarów.

Ogniwo obciążnikowe z płynem hydraulicznym
Przetworniki siły hydraulicznej często mają postać ogniwa obciążnikowego. W najbardziej powszechnej postaci siła działa na tłok, który lekko wystaje i jest wciskany do cylindra wypełnionego płynem hydraulicznym. Istnieją specjalne pierścieniowe tłoki do pomiaru punktów, w których czujnik tensometryczny jest pozycjonowany i utrzymywany przez wał.
Ponieważ ciecze są trudne do ściśnięcia, przenoszą przyłożoną siłę w systemie. Wskazanie może odbywać się np. mechanicznie za pomocą manometru, przetwornika ciśnienia lub specjalnych styków. Hydrauliczne ogniwo obciążnikowe nie wymaga żadnej energii pomocniczej, jest solidne i może być używane w szerokim zakresie temperatur z odpowiednim płynem hydraulicznym.

Czujnik tensometryczny z tensometrami (DMS)
Również przetworniki siły z tensometrami wykorzystują sprężyste odkształcenie metalowych drutów. Jednak nie jest to zmiana długości, która jest tutaj rejestrowana, ale spowodowana nią zmiana oporu elektrycznego. Gdy drut jest rozciągany, opór wzrasta, a gdy drut jest ściskany, maleje. Cienki drut, który jest zwykle nakładany w sposób meandrujący na folię nośną, nazywany jest tensometrem. Korpus podstawowy, do którego przymocowane są tensometry, nazywany jest korpusem sprężynowym, ponieważ również odkształca się elastycznie.
Dzięki zastosowaniu kilku połączonych krzyżowo rezystorów można uniknąć błędów pomiaru spowodowanych siłami poprzecznymi, momentami zginającymi i zmianami temperatury. Osiąga się to za pomocą obwodu mostka Wheatstone'a, w którym cztery tensometry są przymocowane do korpusu sprężyny ogniwa obciążnikowego lub przetwornika siły w taki sposób, że po przyłożeniu siły dwa są ściskane, a dwa rozciągane. Wraz ze zmianą temperatury zmienia się rezystancja we wszystkich tensometrach, ale nie ma napięcia wyjściowego z powodu przeciwnej orientacji. Za pomocą tego obwodu stosunkowo niskim kosztem można wyprodukować bardzo dokładne czujniki siły. Dzięki kształtowi i materiałowi korpusu sprężyny można również pokryć wiele różnych zakresów pomiarowych.

Przetwornik siły z kompensacją elektromagnetyczną
W przypadku przetwornika siły z kompensacją elektromagnetyczną (również EMFC w skrócie od kompensacji siły elektromagnetycznej) pole magnetyczne jest generowany wokół cewki pod napięciem. Czujnik położenia wykrywa, kiedy cewka jest opuszczona w wyniku przyłożenia siły. Czujnik wysyła sygnał do sterownika, który zwiększa prąd cewki, aż do ponownego osiągnięcia pierwotnej pozycji. Położenie jest zatem takie samo w stanie obciążonym i nieobciążonym, ponieważ przetwornik siły kompensuje działanie siły elektromagnetycznie. Przetworniki siły EMFC mogą również precyzyjnie mierzyć bardzo małe siły. Wymagany prąd jest proporcjonalny do obciążenia.

Przetworniki siły z elementami piezoelektrycznymi
Obciążenie tworzy ładunek na powierzchni kryształów piezoelektrycznych, którego ilość jest proporcjonalna do przyłożonej siły. Ten wpływ na niektóre kryształy z osiami biegunowymi odkryli Pierre i Jaques Curie w 1880 roku. Ponieważ ładunek ten jest utrzymywany tylko przez krótki czas, zasada ta nadaje się głównie do szybkich zmian obciążenia, krótkotrwałych szczytów obciążenia lub do długotrwałych pomiarów z ciągłą rejestracją. Za pomocą piezoelektrycznego przetwornika siły można mierzyć nawet obciążenia dynamiczne o częstotliwościach do 100 Hz. Przy odpowiednim ustawieniu kilku elementów możliwe są również pomiary wieloosiowe.
Wzmacniacz ładunku jest podłączony za czujnikami siły, które często są wykonane z kryształów kwarcu. Rejestruje zmiany ładunków, konwertuje je i przekazuje do wyświetlaczy, interfejsów lub nośników danych. Piezoelektryczne przetworniki siły mierzą obciążenia dynamiczne bardzo szybko iz dużą czułością.

Poniższe podstawowe pytania pomogą znaleźć odpowiedni przetwornik siły:

- Jaki rodzaj siły powinien być rejestrowany przez przetwornik siły?
- Czy potrzebujesz specjalnych adapterów do zadania pomiarowego?
- Jakie są maksymalne siły?
- Jaka dokładność jest oczekiwana?
- Czy wyniki pomiarów muszą być zapisywane?
- Czy przetwornik siły jest używany w specjalnych warunkach środowiskowych?

Rodzaje siły w przetworniku siły
Konstrukcja przetwornika siły różni się w zależności od zadania pomiarowego. Ważne jest, czy mierzone mają być siły statyczne, czy dynamiczne. Następnie rozróżnia się
- przetworniki siły, które mierzą tylko siły rozciągające lub tylko siły ściskające,
- przetworniki siły, które mierzą dwukierunkowe siły rozciągające i ściskające
- przetworniki siły, które może rejestrować momenty obrotowe.

Adapter do przetworników siły
Niektóre przetworniki siły oferują możliwość podłączenia specjalnych adapterów. Przetworniki siły DMS w kształcie litery S mają gwintowane otwory metryczne oprócz opcji podłączenia do wyświetlania siły na górnej i dolnej części nogi.
- Różne końcówki pomiarowe z określonymi okrągłymi, sferycznymi lub stożkowymi powierzchniami do pomiaru ciśnienia
lub haki, oczka lub elementy zaciskowe do mocowania próbek do pomiarów rozciągania na przetworniku siły
można zamocować do tych.

Maksymalna siła dla przetwornika siły
Maksymalna siła jest określona dla każdego czujnika tensometrycznego i każdego przetwornika siły. Podana dokładność pomiaru może zostać osiągnięta do tego obciążenia. Niektóre przetworniki siły ulegną zniszczeniu, jeśli to obciążenie zostanie przekroczone o kilka procent.

W przypadku innych czujników siły określa się współczynnik, który określa, ile przeciążenia przetwornik siły może wytrzymać bez uszkodzenia. Można dokonać rozróżnienia między obciążeniem nominalnym, obciążeniem granicznym i obciążeniem zrywającym. Niektóre przetworniki siły lub mierniki siły posiadają oddzielne zabezpieczenia przeciążeniowe, dzięki czemu czujniki siły nie ulegają zniszczeniu. Przy doborze należy wziąć pod uwagę nie tylko zamierzony zakres pomiarowy, ale także możliwość wystąpienia niezamierzonych przeciążeń.

Dokładność przetwornika siły
W zależności od konstrukcji i zakresu pomiarowego przetworniki siły mogą osiągać różne dokładności. Należy zauważyć, że przetworniki siły o dużej dokładności pomiaru osiągają tę dokładność tylko wtedy, gdy przestrzegane są określone warunki środowiskowe. Dokładność pomiaru i rozdzielczość wyświetlacza nie są identyczne. Należy to wziąć pod uwagę zarówno przy doborze przetwornika siły, jak i przy ocenie wyników pomiarów.

Możliwości przechowywania przetwornika siły
Dla niektórych pomiarów wystarczy bezpośredni wyświetlacz, na przykład podczas sprawdzania owoców. Jeśli jednak zmierzone wartości mają być bezpośrednio zapisywane lub wykorzystywane do obliczeń, idealne są przetworniki siły, które mogą przekazywać dane. Prosty przetwornik siły sprężyny lub hydrauliczne ogniwo obciążnikowe może przechowywać maksymalną wartość serii pomiarów za pomocą wskaźników oporu. Elektroniczne czujniki siły oferują znacznie więcej możliwości. Zmierzone wartości można zapisywać, konwertować i przekazywać za pomocą zmiennych elektrycznych, które przesyłają do jednostki wyświetlającej i oceniającej. Sygnały z elektrycznych przetworników siły mogą być oceniane bezpośrednio i przekazywane do urządzeń alarmowych lub styków przełączających, lub mogą być wyświetlane i zapisywane na komputerze PC. Podczas pomiaru sił dynamicznych należy wziąć pod uwagę przedział czasu, w którym przetwornik siły może wykryć zmiany siły.

Wymagania przetwornika siły dotyczące środowiska
Przetworniki siły działają w zależności od zasady pomiaru niezawodne tylko w określonych warunkach dotyczących temperatury, wilgotności, ładunku elektrycznego lub magnetycznego. Przetwornik siły, który ocenia zmienne elektryczne, jest znacznie bardziej czuły niż mechaniczne ogniwo obciążnikowe. Cyfrowe wyświetlacze przetworników siły i czujników wagowych mogą być używane tylko wtedy, gdy wartości temperatury i wilgotności są odpowiednie. W związku z tym do niektórych zastosowań nadają się układy mechaniczne i hydrauliczne.

Miniaturowy przetwornik siły - cechy i zastosowanie
Miniaturowe przetworniki siły to czujniki siły charakteryzujące się szczególnie małymi wymiary. Ze względu na niewielkie rozmiary możliwe jest zintegrowanie go z maszynami, systemami produkcyjnymi i konfiguracjami testowymi bez dużego nakładu pracy regulacyjnej, nawet w przypadku niewielkiej dostępnej przestrzeni. Dlatego miniaturowe przetworniki siły są często używane do pomiarów siły w celu monitorowania i sterowania procesami przemysłowymi oraz podczas testowania nowych materiałów i komponentów.

Rozmiar miniaturowego przetwornika siły nie pozwala na wyciągnięcie jakichkolwiek wniosków na temat zakresu pomiarowego. Mogą być zaprojektowane na małe lub duże siły. Na przykład ogniwo obciążnikowe o średnicy obudowy 25 milimetrów może być używane do sił do 50 niutonów lub do 5000 niutonów, w zależności od zainstalowanej celi pomiarowej. W zależności od typu celi pomiarowej możliwe są statyczne lub dynamiczne pomiary ciśnienia lub naprężenia lub obu kierunków siły.

Warunkiem wstępnym zastosowania miniaturowego czujnika tensometrycznego jest siła które można zmierzyć, można wprowadzić w ukierunkowany sposób. Dlatego istnieją różne konstrukcje miniaturowych przetworników siły z różnymi wariantami przenoszenia siły. Wiele typów ma kształt dysku lub cylindra. Istnieją jednak również wersje jako pręt napinający, belka zginająca, pierścień do pomiaru siły lub w kształcie litery S. Siła może być wprowadzana bezpośrednio przez powierzchnie styku lub przez gwinty śrub, otwory lub oczka.

Aby zapewnić, że miniaturowy przetwornik siły nie ulegnie natychmiastowej awarii w przypadku nieplanowanego obciążenia, opracowano modele z zabezpieczeniem przed przeciążeniem i dużą niewrażliwością na obciążenia boczne. Do zastosowań, w których dodatkowe siły działają poprzecznie do kierunku pomiaru, należy wybrać miniaturowe przetworniki siły o wystarczającej stabilności obciążenia bocznego. Te przetworniki siły są zaprojektowane w taki sposób, aby cela pomiarowa nie została zniszczona przez przyłożone siły poprzeczne i nie miała na nie wpływu podczas rejestrowania mierzonej siły.

Kabel połączeniowy do zasilanie napięciem i wyjście sygnału również w przypadku miniaturowego przetwornika siły są zwykle ustawione pod kątem 90 stopni do kierunku działania siły. Podobnie jak w przypadku innych czujników, kable te różnią się nie tylko długością, ale także liczbą żył. Konstrukcje i kable są zwykle tak wytrzymałe, że nie ulegają uszkodzeniu przez zwykłe materiały eksploatacyjne lub wilgoć. Zapewnia to wysoką niezawodność nawet w wymagających środowiskach.

Przetworniki siły hydraulicznej - rodzaje i ich zastosowania
Terminy hydraulika i hydraulika są składa się z greckich słów „hydro” oznaczających wodę i „aulos” oznaczających rurę. Są one stosowane w inżynierii w systemach zamkniętych, które wykorzystują właściwości cieczy do przenoszenia sił, sygnałów i energii. W wielu zastosowaniach zamiast wody stosuje się specjalne oleje hydrauliczne.

Przetworniki siły hydraulicznej mierzą siły ściskające na podstawie przyłożonych sił, które dociskają płyn hydrauliczny do korpusu sprężyny, przesuwając go w ten sposób w strukturalnie określony kierunek. Im większa przyłożona siła, tym bardziej sprężyna jest wciśnięta. W ten sposób ciśnienie można mierzyć i wyświetlać bez dodatkowego zasilania.

Oprócz całkowicie analogowych modeli z wyświetlaczem skali istnieje wiele hydraulicznych przetworników siły z wyświetlaczami cyfrowymi lub interfejsy. Tam wartość ciśnienia jest przetwarzana przez przetworniki pomiarowe na sygnały elektroniczne dla wyświetlaczy cyfrowych lub standardowych interfejsów. Przyrządy analogowe mogą jedynie dodatkowo wyświetlać najwyższą wartość serii pomiarowej za pomocą przesuwającej się wraz z nią wskazówki podrzędnej, aż do ponownego wyzerowania. Z drugiej strony hydrauliczne przetworniki siły z przetwornikiem mogą być również wyposażone w elektroniczną pamięć wartości pomiarowych.

Przetworniki siły hydraulicznej są często używane do wyznaczania sił ściskających w maszynach. Modele analogowe nadają się na przykład do indywidualnych pomiarów w celu ustawienia i regulacji sił na obrabiarkach, prasach, urządzeniach mocujących i podnośnikach. Mogą być również stosowane do obowiązkowych kontroli siły zamykania automatycznych drzwi i bram.Przetworniki siły hydraulicznej z nadajnikiem i interfejsem elektronicznym mogą być również stosowane do ciągłego monitorowania procesów lub poziomów, np. w rolnictwie, produkcji przemysłowej lub w produkcji energii