4.5 Măsurarea sarcinii și momentului
4.5 Măsurarea sarcinii și momentului
1. Ce sunt forța, sarcina și momentul?
Forța este măsura de interacțiune a corpurilor: pentru fiecare acțiune există o reacție egală și opusă. Forța este, de asemenea, descrisă ca o împingere sau tragere de un obiect. Este o cantitate vectorială atât ca magnitudinea, cât și ca direcție.
Sarcina este un termen folosit frecvent pentru a se referi la forța exercitată asupra unei structuri sau a unui corp. Unitatea recunoscută de SI pentru forță sau sarcina este Newton (N). Celulele de sarcină măsoară direct forța sau greutatea. Aceste traductoare convertesc forța mecanică în semnale electrice prin măsurarea deformărilor produse de forță sau greutate. O aplicație comună a acestor dispozitive este măsurarea materialelor uscate sau lichide într-un buncăr. O măsurare a greutății printr-o celulă de sarcină produce o măsură a cantității de material din buncăr.
Figura 1. Celulele de sarcină sunt utilizate pentru măsurarea forței sau greutății.
Cuplul este tendința unei forțe de rotire a unui obiect în jurul unui ax. Similar cu forța descrisă ca împingere sau tragere, cuplul poate fi descris ca o răsucire a unui obiect. Unitatea de măsură recunoscută SI pentru cuplu este Newton-metru (Nm). Folosind o definiție simplă, cuplul este echivalent cu forța ori distanța, în cazul în care cuplul sau răsucirea în sensul acelor de ceasornic este, în mod obișnuit, pozitiv și cuplul anti-orar este de obicei negativ. Senzorii de cuplu sunt compuși din mărci tensometrice care sunt atașați la o bară de torsiune. Pe măsură ce bara se răsucește, mărcile răspund la solicitarea paralelă cu suprafața barei (sheer stress), care este proporțională cu cuplul.
Figura 2. Senzorii de cuplu cu inele alunecătoare de rotație pot fi utilizați pentru măsurarea nivelurilor de pornire, funcționare și stingere a cuplului.
2. Cum funcționează celulele de sarcină?
Cele mai multe tipuri de celule de sarcină funcționează în diferite moduri, dar cea mai frecvent utilizată celulă de sarcină este celula de sarcină cu mărci tensometrice. În general, folosiți un ansamblu de grinzi sau jgheaburi care au mai multe mărci tensometrice montate într-o configurație de punte Wheatstone, astfel încât aplicarea unei forțe cauzează o deformație în ansamblul de măsurare cu mărci tensometrice. În general, aceste dispozitive sunt calibrate astfel încât forța să fie direct legată de variația rezistenței. Celulele de sarcină pneumatice și hidraulice utilizate mai puțin frecvent traduc forța în măsurători de presiune. În cazul în care forța este aplicată pe o parte a pistonului sau a diafragmei, cantitatea de presiune (pneumatică sau hidraulică) aplicată pe celălalt față pentru a echilibra forța este măsurată. Restul acestei lucrări se concentrează asupra celulelor de sarcină bazate pe mărci tensometrice sau punți.
Cea mai importantă componentă mecanică a unei celule de sarcină sau traductor cu mărci tensometrice este structura (elementul elastic). Structura reacționează la sarcina aplicată și concentrează această sarcină într-un câmp a solicitării izolat, uniform, în care se pot amplasa mărcile tensometrice pentru măsurarea sarcinii. Cele trei structuri obișnuite de structură a celulelor de sarcină - grinda de încovoiere multiplă, coloana multiplă și banda de forfecare formează blocurile de bază pentru toate profilurile și/sau configurațiile posibile ale celulelor de sarcină.
Figura 3. Structuri de celule de sarcină destinate montării de mărci tensometrice
pentru măsurarea compresiei și întinderii în diferite moduri. [1]
Celulele de sarcină cu grindă de încovoiere multiplă au o capacitate mică (de la 20 la 22 KN) și au un element elastic sub formă de roată, care poate fi adaptat la traductoare cu profil redus. Conține patru mărci active sau seturi de mărci pentru fiecare braț al punții, cu perechi supuse unor solicitări egale și opuse (întindere și compresie).
Celulele de sarcină cu coloane multiple constau din mai multe coloane pentru o capacitate mai mare (110K până la 9M N). În acest ansamblu, fiecare braț de punte conține patru mărci tensometrice active, cu două aliniate pe axa principală a solicitării și celelalte două în direcția transversală pentru a compensa efectul lui Poisson.
Celulele de sarcină cu bandă de forfecare au o capacitate medie (2K până la 1MN) și utilizează o formă de roată cu nervuri radiale supuse forfecării directe. Cele patru mărci tensometrice active per braț de punte sunt lipite de părțile laterale ale nervurilor, la 45 de grade față de axa grinzii.
3. Cum se alege celula de sarcină adecvată?
Celulele de încărcare funcționează în două moduri de bază: modul de comprimare, în timpul căruia recipientul de cântărire se află pe unul sau mai multe celule de sarcină sau în modul de întindere, în timpul cărora un vas de cântărire se agață de la una sau mai multe celule de sarcină. Aveți posibilitatea să proiectați diferite configurații de structuri ale celulelor de sarcină discutate în secțiunea anterioară, folosind oricare dintre aceste configurații pentru a utiliza numai pentru forțe de compresie sau puteți proiecta pentru măsurarea forței de întindere și forței de compresie.
Înainte de măsurarea principală, selectați o celulă de sarcină bazată în primul rând pe capacitatea, precizia și constrângerile legate de montarea fizică sau protecția mediului. Nu puteți determina performanța așteptată de nici un factor. Trebuie să o identificați printr-o combinație de parametri diferiți ai senzorilor și prin modul în care ați proiectat celulele de sarcină în sistemul dvs. Consultați tabelul pentru a compara gama, precizia, sensibilitatea și prețul diferitelor tipuri de celule de sarcină.
Capacitate. Definiți cerințele minime și maxime de capacitate. Asigurați-vă că selectați capacitatea pentru sarcina maximă de funcționare și determinați toate sarcinile și momentele străine înainte de a selecta o celulă de sarcină. Capacitatea de încărcare trebuie să poată susține următoarele:
Greutatea structurii de cântărire (dead load)
Sarcina maximă curentă care poate fi aplicată (inclusiv orice suprasarcină statică)
Suprasolicitarea suplimentară rezultată din factori externi, cum ar fi încărcarea eoliană sau activitatea seismică
Frecvența de măsurare. Celulele de sarcină sunt concepute pentru utilizare generală sau sunt rezistente la uzură pentru a suporta milioane de cicluri de încărcare fără efect asupra performanței. Celulele de sarcină cu destinație generală sunt proiectate pentru aplicații cu sarcină de încărcare statică sau cu frecvență de ciclu redus. Ele supraviețuiesc de obicei până la 1 milion de cicluri, în funcție de nivelul de încărcare și de materialul traductorului. Celulele de sarcină cu rezistență la oboseală sunt proiectate în mod tipic pentru a realiza 50 până la 100 de milioane de cicluri de încărcare complet inversate, în funcție de nivelul de încărcare și amplitudine.
Constrângeri fizice și de mediu. Una dintre caracteristicile cheie care trebuie luate în considerare este modul în care integrați celulele de sarcină în sistemul dumneavoastră. Identificați restricțiile fizice care limitează dimensiunea (lățimea, înălțimea, lungimea și așa mai departe) sau modul în care poate fi montată celula de sarcină. Majoritatea celulelor cu sarcină de întindere și de comprimare prezintă filete interne centrale pe partea superioară și inferioară pentru fixare, dar ele pot avea și filete externe sau un amestec de ambele. Luați în considerare modul în care sistemul va funcționa și care ar fi cele mai proaste condiții de funcționare - cel mai mare interval de temperatură, cea mai mică modificare a greutății care trebuie măsurată, cele mai grave condiții de mediu (inundații, furtuni, activitate seismică) și condițiile maximale de suprasarcină.
4. Cum funcționează senzorii de cuplu?
Senzori de cuplu cu reacție
Cuplul de reacție este forța de întoarcere, sau momentul, impus porțiunii staționare a unui dispozitiv de către porțiunea rotativă, ca o puterea ce este furnizată sau absorbită. Dacă sursa de încărcare este menținută rigidă în timp ce sursa de acționare încearcă să se rotească, cuplul este detectat. Senzorii pentru cuplul de reacție sunt fixați astfel încât să nu se poată roti 360 de grade fără înfășurarea cablului deoarece carcasa sau capacul sunt fixate la elementul senzor. Acești senzori sunt utilizați în mod obișnuit pentru măsurarea cuplului unei mișcări de tip mișcare dus-întors. Deoarece acești senzori nu utilizează rulmenți, inele alunecătoare sau alte elemente rotative, instalarea și utilizarea lor pot fi foarte rentabile.
Senzori de cuplu rotativ
Senzorii de cuplu rotativi sunt asemănători în proiectare și aplicare cu senzorii de cuplu de reacție, cu excepția faptului când senzorul de cuplu este instalat în linie cu dispozitivul testat. Deoarece arborele unui senzor de cuplu se rotește 360 de grade, acești senzori trebuie să aibă o cale de a transfera semnalele de la elementul rotativ la o suprafață staționară. Puteți realiza acest lucru utilizând inele de alunecare, transformatoare rotative sau telemetrie.
Metoda inelelor alunecătoare
Pentru metoda inelelor alunecătoare, puntea de mărci tensometricei este conectată prin patru inele de alunecare montate pe axul rotativ. Periile din grafit argintat se freacă de aceste inele de alunecare și asigură o cale electrică pentru excitația de intrare a punții și pentru semnalul de ieșire. Puteți utiliza fie AC, fie DC pentru a excita puntea de mărci tensometrice.
Figura 4. Inelele de alunecare oferă o cale electrică pentru excitație
și semnalul de măsurare a punții. [1]
Transformatorul rotativ
Pentru metoda transformatorului, transformatoarele rotative diferă de transformatoarele convenționale numai prin faptul că fie înfășurarea primară, fie secundară se rotește. Un transformator este utilizat pentru a transmite tensiunea de excitație de curent alternativ la puntea de mărci tensometrice și un al doilea transformator este utilizat pentru a transfera ieșirea semnalului către partea statică a traductorului. Astfel, două transformatoare înlocuiesc patru inele alunecătoare și nu este necesar un contact direct între elementele rotative și staționare ale traductorului.
Figura 5. Sunt utilizate două transformatoare - unul pentru a transmite semnalul de excitație, iar celălalt pentru a transfera semnalul de ieșire al punții. [1]
Telemetrie digitală
Metoda de telemetrie digitală nu are puncte de contact. Sistemul constă dintr-un modul receptor-transmițător, un modul de cuplare și un modul de procesare a semnalului. Modulul emițătorului este integrat în senzorul de cuplu. Acesta amplifică, digitizează și modulează semnalul senzorului pe o undă purtătoare de frecvență radio, care este preluată de modulul de cuplare (receptor) al sistemului. Datele de măsurare digitale sunt apoi recuperate de modulul de procesare a semnalului.
5. Cum se alege senzorul de cuplu adecvat?
Similar selecțiilor de celule de sarcină, selecția senzorilor de cuplu depinde în primul rând de necesitățile de capacitate și de cerințele fizice sau de mediu.
Capacitate. Pentru a selecta capacitatea corectă, determinați cuplul minim și cel maxim așteptat. Cuplul și momentele străine pot mări solicitarea combinată, care accelerează oboseala și afectează precizia și performanța senzorului. Orice sarcină, alta decât cuplul, cum ar fi axială, radială sau de îndoire, este considerată străină și trebuie determinată în prealabil. Dacă nu puteți aranja instalarea dvs. pentru a minimiza efectele acestor încărcări, consultați documentația senzorului pentru a verifica dacă sarcinile străine se încadrează în gamele senzorului.
Cerințe fizice și de mediu. Evaluați orice constrângeri fizice (lungime, diametru și așa mai departe) și modul în care senzorul de cuplu poate fi montat în sistem. Luați în considerare tipul de mediu în care va funcționa senzorul pentru a asigura o performanță adecvată în întreaga gamă de temperaturi, umiditate sau contaminanți (ulei, murdărie, praf).
Rotațiile pe minut (rpm). Pentru senzorii de cuplu rotativ, trebuie să înțelegeți cât timp se va roti senzorul de cuplu și cu ce viteză pentru a determina turația (RPM).
6. Condiționarea semnalului pentru senzorii de sarcină și cuplu
Senzorii de sarcină și de cuplu pot fi condiționați sau necondiționați. Puteți conecta senzorii condiționați direct la un dispozitiv DAQ deoarece acestea conțin componentele necesare pentru filtrare, amplificare de semnal și cabluri de excitație împreună cu circuitele obișnuite pentru măsurare. Dacă lucrați cu senzori necondiționați, trebuie să luați în considerare câteva elemente de condiționare a semnalului pentru a crea un sistem eficace de măsurare a sarcinii și cuplului bazate pe punte. Mulți aveți nevoie de una sau mai multe dintre următoarele:
Excitație pentru alimentarea circuitelor punții Wheatstone
Teledetecție pentru compensarea erorilor la tensiunea de excitație datorate firelor lungi
Amplificare pentru a crește rezoluția măsurătorilor și pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot
Filtrare pentru eliminarea zgomotului extern, de înaltă frecvență
Anulare offset pentru a echilibra puntea până la ieșire 0 V atunci când nu este aplicată solicitare
Calibrare cu șunt pentru a verifica ieșirea punții la o valoare cunoscută, așteptată
Magazin hardware NI pentru încărcarea și măsurarea cuplului
7. Referințe