Как работают тензодатчики: наука, лежащая в основе точности весов

Как работает тензодатчик: краткий ответ

Тензодатчик преобразует механическую силу (вес) в электрический сигнал. Внутри каждого тензодатчика находится металлический элемент, который слегка деформируется под нагрузкой. К этому элементу прикреплены тензодатчики: тонкая резистивная фольга, электрическое сопротивление которой меняется при растяжении или сжатии. Это изменение сопротивления создает измеримое выходное напряжение, пропорциональное приложенной силе. В весы Несколько датчиков веса размещаются под платформой, а их объединенные электрические сигналы обрабатываются индикатором или распределительной коробкой для отображения показаний веса.

Это основной механизм. Все остальное — герметизация, температурная компенсация, защита от перегрузки, цифровой выход — инженерно построено на этом фундаментальном принципе. Понимание деталей имеет большое значение, поскольку выбор, установка и обслуживание датчиков веса напрямую определяют, насколько точно и надежно будут работать весы на протяжении многих лет эксплуатации.

Тензодатчик: ядро каждого тензодатчика

Тензодатчик — это чувствительный элемент, который делает возможной технологию тензодатчиков. Он состоит из тонкой металлической фольги (обычно из никель-хромового сплава), прикрепленной клеем к поверхности эластичного металлического корпуса, обычно из высококачественной легированной стали или нержавеющей стали. Когда металлический корпус деформируется под весом, фольга деформируется вместе с ним. Это изменяет электрическое сопротивление фольги в соответствии с соотношением, описываемым манометрическим коэффициентом (GF).

Манометрический коэффициент для большинства металлических тензорезисторов составляет приблизительно 2.0 Это означает, что деформация на 0,1% вызывает изменение сопротивления на 0,2%. Для стандартного тензодатчика на 350 Ом это соответствует изменению сопротивления примерно на 0,7 Ом — крошечная величина, которая требует тщательного проектирования схемы для точного измерения.

Схема моста Уитстона

В тензодатчиках используются четыре тензодатчика, расположенных в конфигурации моста Уитстона. Два манометра ставятся на растяжение (удлиняются под нагрузкой) и два на сжатие (укорачиваются под нагрузкой). Такое расположение обеспечивает несколько важных преимуществ:

• Выходной сигнал удваивается по сравнению с использованием одного датчика, что повышает чувствительность.
• Температурные эффекты компенсируются, поскольку все четыре датчика находятся в одинаковой тепловой среде.
• Погрешности нелинейности уменьшаются за счет противоположного расположения датчиков.
• Мост выдает нулевой выходной сигнал при нулевой нагрузке (нулевой выходной сигнал), что упрощает обработку сигнала.

Стандартное напряжение возбуждения От 5 до 15 В постоянного тока применяется через мост. При номинальной мощности мост выдает выходное напряжение на уровне милливольт — обычно 2 мВ/В Это означает, что возбуждение 10 В создает напряжение 20 мВ при полной нагрузке. Затем этот сигнал усиливается и обрабатывается.

Типы тензодатчиков, используемых в мостовых весах

Не все тензодатчики имеют одинаковую геометрию. Внутренняя форма упругого элемента определяет, как он деформируется, что влияет на точность, диапазон грузоподъемности и пригодность для различных конфигураций весов.

Тензодатчики сжатия

Это наиболее распространенный тип весов, монтируемых на яме и на поверхности. Они предназначены для того, чтобы нести нагрузку по одной оси (прямо вниз) и обычно имеют цилиндрическую или блинообразную форму. Компрессионные ячейки, используемые в автомобильных весах, рассчитаны на производительность от От 50 тонн до более 150 тонн на ячейку , с шестью-двенадцатью ячейками, обычно поддерживающими полную платформу весов. Они прочны, просты в установке и достаточно хорошо выдерживают боковые нагрузки при наличии надлежащего монтажного оборудования.

Датчики силы изгиба балки

Ячейки изгибаемой балки работают по принципу консольной или двусторонней балки. Нагрузка прикладывается в одной или двух точках вдоль балки, закрепленной на другом конце, вызывая ее изгиб. Тензорезисторы, расположенные в месте максимального изгибающего момента, фиксируют эту деформацию. Эти ячейки популярны в низкопрофильных платформенных весах и некоторых конструкциях портативных мостовых весов, поскольку их можно устанавливать в очень неглубокий профиль деки. Обычно они используются для мощностей под 20 тонн на ячейку .

Датчики нагрузки на сдвиговую балку

Ячейки сдвига балки измеряют напряжение сдвига, а не изгиб или прямое сжатие. Тензорезисторы ориентированы под углом 45 градусов к оси балки, чтобы фиксировать максимальную деформацию сдвига. Эта конструкция крайне нечувствительна к точке приложения нагрузки, что является значительным преимуществом при использовании мостовых весов, где нагрузка на ось транспортного средства не может приземлиться в точном положении. Сдвиговые балки обеспечивают превосходную точность, обычно достигая Класс C3 по OIML или выше и широко используются как в портативных осевых весах, так и в стационарных мостовых весах.

Одноточечные тензодатчики

Одноточечные ячейки спроектированы так, чтобы давать точные показания независимо от того, где на платформе находится груз — в определенных пределах. Они в основном используются в платформенных весах меньшего размера и редко встречаются в полноразмерных грузовых весах. Тем не менее, они появляются в некоторых весах для осевых подушек, используемых для быстрых проверок придорожных органов.

От необработанного сигнала к измерению веса: путь сигнала на весах

Понимание того, как работает тензодатчик в отдельности, — это лишь часть картины. В платформенных весах несколько датчиков веса работают вместе, и их сигналы проходят несколько стадий обработки, прежде чем значение веса появится на дисплее.

Шаг 1: Выход отдельной ячейки

Каждый тензодатчик под платформой весов выдает сигнал милливольтового уровня, пропорциональный прилагаемой к нему силе. Поскольку нагрузка от транспортного средства никогда не бывает идеально центрированной, отдельные ячейки несут неравную долю нагрузки. 60-тонный грузовик, припаркованный асимметрично, может нагрузить 12 тонн на одну угловую ячейку и 8 тонн на другую.

Шаг 2: Распределительная коробка и суммирование сигналов

Все кабели отдельных ячеек подводятся к распределительной коробке (также называемой суммирующей коробкой). Внутри сигналы объединяются — либо пассивно посредством резистивных суммирующих сетей, либо активно посредством усиления. В распределительных коробках с пассивным суммированием используются подстроечные резисторы для регулировки различий в чувствительности ячеек, гарантируя, что нагрузка в 1 тонну на любую отдельную ячейку вносит одинаковый вклад в суммируемый выходной сигнал. Этот этап калибровки имеет решающее значение: без него положение груза на платформе весов будет влиять на окончательные показания.

Шаг 3: Усиление и аналого-цифровое преобразование

Суммарный милливольтовый сигнал, все еще очень малый, поступает на индикатор веса. Внутри прецизионный инструментальный усилитель усиливает сигнал, обычно до диапазона 0–10 В. Затем аналого-цифровой преобразователь (АЦП) дискретизирует усиленный сигнал. Современные весовые индикаторы используют 24-битные АЦП , которые обеспечивают более 16 миллионов дискретных шагов во всем диапазоне измерений. Это разрешение намного лучше, чем требуемое законом приращение дисплея, обеспечивая стабильное и помехоустойчивое считывание.

Шаг 4: Цифровая фильтрация и отображение

Необработанные данные АЦП содержат шум. Ветровая нагрузка, вибрация транспортного средства и электрические помехи вызывают быстрые колебания. Микропроцессор индикатора применяет алгоритмы цифровой фильтрации — часто настраиваемые усредняющие или частотные фильтры — для получения стабильного значения веса. Окончательное отображаемое значение округляется до утвержденного деления шкалы, которое для весов, разрешенных для торговли, обычно составляет 20 кг для весов 60 тонн.

Основные характеристики датчиков веса и их значение для производительности весов

При выборе датчиков веса для мостовых весов номера технических данных напрямую определяют качество измерений. Вот что на самом деле означает каждая спецификация.

Номинальная мощность (Emax)

Максимальная нагрузка, которую ячейка рассчитана на точное измерение. В целях безопасности тензодатчики также рассчитаны на безопасную перегрузку — обычно 150% номинальной мощности — и предельная перегрузка перед необратимым повреждением, обычно 300% . Платформа весов, рассчитанная на транспортное средство полной массой 60 тонн, поддерживаемая шестью ячейками, требует ячеек, рассчитанных как минимум на 15 тонн каждая с учетом распределения нагрузки, а также достаточный запас по перегрузке для динамической нагрузки при въезде в транспортное средство.

Класс точности (nмакс)

OIML (Международная организация законодательной метрологии) классифицирует датчики веса от класса A (самая высокая точность) до класса D (самая низкая). Весовые датчики веса обычно Класс C3 или C4 , где цифра указывает максимальное количество интервалов проверки — 3000 или 4000 соответственно. Датчик веса C3, используемый в 60-тонных платформенных весах, может поддерживать шаг отображения 60 000 кг ÷ 3 000 = 20 кг, что соответствует стандартным требованиям к платформенным весам.

Комбинированная ошибка

Эта спецификация объединяет ошибки нелинейности и гистерезиса в одно значение, обычно выражаемое в процентах от номинальной мощности. Для тензодатчика C3 комбинированная погрешность обычно равна ±0,023% номинальной мощности или лучше . На элементе массой 20 тонн, производящем напряжение 2 мВ/В при полной нагрузке, это соответствует погрешности менее 0,9 микровольта — чрезвычайно малому значению, которое требует тщательного экранирования и правил проводки для сохранения в сигнальной цепи.

Температурные коэффициенты

Тензодатчики, используемые в напольных весах, подвергаются значительным перепадам температуры. Имеют значение два температурных коэффициента:

• ТК Зеро : Изменение нулевой мощности на градус изменения температуры, обычно составляет менее 0,02% от номинальной мощности на 10°C.
• ТК Спан : Изменение чувствительности на градус, обычно менее 0,008% на 10°C для качественных датчиков веса.

На напольных весах, работающих при температуре от -10°C до 50°C (диапазон 60 градусов), ячейка с диапазоном TK 0,008%/10°C будет испытывать сдвиг диапазона на 0,048% . В масштабе 60 тонн это смещение в 29 кг, обусловленное только температурой. Вот почему калибровка платформенных весов всегда выполняется при рабочей температуре и почему по закону требуется периодическая повторная поверка.

Защита от проникновения (рейтинг IP)

Тензодатчики весов стационарно устанавливаются на открытом воздухе, часто в ямах, подверженных затоплению, грязи и промывке под давлением. Минимально допустимый класс защиты IP для весовых датчиков: IP67 (пыленепроницаемый и выдерживает временное погружение до 1 метра). Во многих установках указывается IP68 или IP69K , последний рейтинг допускает использование струй воды под высоким давлением и высокой температурой, что актуально для площадок, на которых регулярно очищается платформа весов.

Аналоговые и цифровые датчики веса в мостовых системах

Традиционные тензодатчики выдают аналоговый сигнал в милливольтах. За последние два десятилетия цифровые тензодатчики, в которых АЦП и микропроцессор встроены непосредственно в корпус тензодатчика, стали все более распространенными в установках на платформенных весах. Разница существенна с практической точки зрения.

Аналоговые системы датчиков нагрузки

Аналоговые ячейки проще, дешевле и совместимы практически с любыми весовыми индикаторами, представленными на рынке. Их сигналы в милливольтах уязвимы к электромагнитным помехам (ЭМП) на длинных кабелях, что является настоящей проблемой на крупных промышленных объектах с тяжелой техникой. Максимальная практическая длина кабеля до того, как ухудшение сигнала станет проблематичным, составляет примерно от 100 до 150 метров со стандартным экранированным кабелем.

Цифровые системы тензодатчиков

Цифровые тензодатчики преобразуют сигнал тензодатчика в цифровое значение внутри корпуса датчика и передают данные через последовательную шину — обычно RS-485 или шину CAN. Ключевые преимущества включают в себя:

• Невосприимчивость к электромагнитным помехам на длинных кабелях и надежная передача данных по 500 метров и более .
• Диагностика отдельных ячеек — индикатор может определить, в какой конкретной ячейке возникла проблема, а не просто обнаружить неисправность системы.
• Автоматическая температурная компенсация осуществляется внутри каждой ячейки с помощью собственного датчика температуры.
• Упрощенная подстройка и калибровка с помощью программного обеспечения, а не регулировки резистора.

Компромиссом является стоимость (цифровые тензодатчики значительно дороже) и привязка к поставщику, поскольку элементы разных производителей часто используют несовместимые протоколы связи.

Как тензодатчики монтируются на весах

Правильный монтаж так же важен, как и качество элемента. Идеально подобранный датчик веса, установленный неправильно, будет давать неточные и нестабильные показания. Системы крепления весовых датчиков на мостовых весах должны выполнять несколько задач одновременно.

Передача вертикальной силы при отклонении боковых нагрузок

Тензодатчики предназначены для измерения силы по одной оси. Боковые нагрузки, вызванные торможением транспортного средства, тепловым расширением деки или несоосностью деки, приводят к ошибкам и ускоряют утомление. В монтажных узлах используются коромысла, кнопки нагрузки или самовыравнивающиеся основания тензодатчиков, чтобы гарантировать механическое подавление внеосевых сил. Крепление коромысла позволяет ячейке слегка наклоняться в любом направлении, передавая на чувствительный элемент только вертикальную составляющую любой приложенной силы.

Учет теплового расширения

Стальная платформа весов длиной 18 метров расширится примерно 10 мм между зимними и летними температурами в умеренном климате (с использованием коэффициента теплового расширения примерно 11,7 × 10⁻⁶/°C и температурного диапазона 50°C). Монтажное оборудование должно позволять это перемещение без заеданий. Конфигурации монтажа с фиксированным и свободным концом решают эту проблему, фиксируя платформу на одном конце и допуская ограниченное скольжение на другом, предотвращая интерпретацию теплового расширения как изменение нагрузки.

Предотвращение подъема

В некоторых конструкциях крепления датчиков нагрузки используются крепежные болты или удерживающие зажимы, чтобы предотвратить отрыв платформы от ячеек во время нагрузки со смещением от центра. Без ограничения подъема эксцентричная нагрузка возле одного конца весов может привести к подъему противоположного конца, что приведет к разгрузке ячеек и возникновению значительной ошибки. Узлы контрольных тяг, ограничивающие перемещение деки вверх до 2–3 мм, являются стандартной частью качественных весовых установок.

Распространенные виды отказов датчиков веса в мостовых весах

Тензодатчики прочные, но не нерушимые. Знание того, почему они выходят из строя, помогает группам технического обслуживания выявлять проблемы до того, как они вызовут значительные ошибки взвешивания или полный отказ системы.

Попадание влаги

Даже элементы с классом защиты IP68 могут быть скомпрометированы, если точки кабельного ввода повреждены, если разъемы кабеля не герметичны должным образом или если корпус элемента имеет физические трещины. Влага, попадающая на тензорезисторы, вызывает коррозию фольги, изменение адгезионных свойств и, в конечном итоге, утечку тока между плечами моста. Симптомом обычно является постепенный дрейф нулевых показаний и повышенная нестабильность. Проверка сопротивления изоляции между мостовыми цепями и корпусом элемента (должно превышать 5000 МОм на здоровой клетке) является стандартным диагностическим этапом.

Перегрузка и усталость

Одиночная сильная перегрузка — от удара транспортного средства о платформу на скорости или от крана, неожиданно приземлившего тяжелый груз — может пластически деформировать упругий элемент. После деформации нулевая точка ячейки постоянно смещается, и ее невозможно откалибровать. Усталость накапливается за миллионы циклов нагрузки; Большинство качественных ячеек для мостовых весов рассчитаны на 10 миллионов или более циклов при номинальной мощности, однако ударные нагрузки и перегрузки резко снижают усталостную долговечность.

Повреждение кабеля

Кабели тензодатчиков прокладываются в открытых местах под платформами весов. Повреждение грызунами, неоднократное сгибание при движении платформы и физическое разрушение обломками являются распространенными причинами выхода из строя кабеля. Поврежденный экран или частичный разрыв сигнального проводника приводит к появлению помех, ошибок смещения или полной потери сигнала. Защита кабельного канала и регулярный визуальный осмотр — это простые профилактические меры, продлевающие срок службы системы.

Коррозия монтажного оборудования

Корпуса тензодатчиков из нержавеющей стали устойчивы к коррозии, но окружающие их крепежные детали из мягкой стали — основания тензодатчиков, проверочные стержни, монтажные болты — нет. Корродированное оборудование может заклинить, предотвратить необходимые небольшие движения во время теплового расширения и создать боковые силы на датчике веса. Ежегодный график осмотра и смазки монтажного оборудования является минимальным требованием к техническому обслуживанию.

Калибровка: соединение физики тензодатчиков с юридической точностью

Выходной сигнал тензодатчика в милливольтах не имеет смысла до тех пор, пока он не будет откалиброван по известным эталонным весам. Калибровка устанавливает математическую зависимость между электрической мощностью и отображаемым весом, а периодическая повторная калибровка подтверждает, что зависимость не изменилась.

Калибровка дедвейтом

Золотым стандартом калибровки мостовых весов является загрузка деки сертифицированными испытательными гирями известной массы – обычно Сертифицированные массы класса M1 или F2 прослеживается в соответствии с национальными стандартами. Индикатор настроен таким образом, чтобы отображаемые показания соответствовали приложенному весу в нескольких точках во всем диапазоне измерений. Для 60-тонных весов калибровка обычно включает в себя испытательные нагрузки при 0, 20 %, 50 % и 100 % от максимальной мощности.

Калибровка запасной гири

Транспортировка и обработка достаточного количества тестовых гирь для полной калибровки являются дорогостоящими и сложными с точки зрения логистики. Методы замены веса — с использованием эталонного устройства гидравлического тензодатчика или транспортного средства проверенной массы — позволяют проводить проверки калибровки с меньшими затратами. Эти методы приняты многими национальными органами по мерам и весам для периодической проверки между полными калибровками дедвейта при условии, что первоначальная калибровка проводилась с использованием дедвейта.

Требования юридической проверки

Весы, используемые для торговли (выставления счетов клиентам по весу, проверки соответствия транспортных средств или фискальных измерений), должны периодически проверяться уполномоченным проверяющим органом. В Европейском Союзе Директива о неавтоматических весовых приборах (NAWI) устанавливает максимально допустимые погрешности (MPE) для торговых весов: ±0,5 деления шкалы при первоначальной проверке и ±1 шаг шкалы в обслуживании. Интервалы проверки различаются в зависимости от юрисдикции, но обычно от 1 до 2 лет .

Практические советы по увеличению срока службы тензодатчиков при использовании мостовых весов

Тензодатчики на хорошо обслуживаемых платформенных весах должны оставаться точными в течение от 10 до 20 лет . Достижение этого срока службы требует постоянного внимания к нескольким ключевым областям.

• Обеспечьте соблюдение ограничений скорости на пандусе. 40-тонный грузовик, ударяясь о край палубы на скорости 20 км/ч, создает динамический коэффициент воздействия от 1,3 до 1,5 или более, эффективно мгновенно применяя от 52 до 60 тонн. Пандусы или знаки ограничения скорости до 5 км/ч существенно снижают динамическую нагрузку.
• Держите яму сухой. Установите водоотливные насосы с автоматическими поплавковыми выключателями в ямных весовых установках. Стоячая вода ускоряет коррозию монтажного оборудования и увеличивает риск попадания влаги в разъемы кабеля.
• Осматривайте кабельные каналы ежеквартально. Обращайте внимание на наличие смятий, трещин или смещений, которые подвергают кабели механическим повреждениям. Замените поврежденные секции до того, как выход кабеля из строя приведет к неточному взвешиванию или полному выходу системы из строя.
• Регулярно записывайте угловые показания. Большинство современных индикаторов мостовых весов могут отображать показания отдельных ячеек. Их периодическая запись создает базовый уровень; ячейка, которая начинает дрейфовать, отображается как изменяющееся угловое показание задолго до того, как это повлияет на общую точность шкалы.
• Предотвратите перегрузку с помощью дизайна. Настройте индикатор на сигнализацию, когда нагрузка приближается к максимальной мощности. Для весов массой 60 тонн сигнал тревоги при весе 58 тонн дает операторам время остановить процесс загрузки до того, как ячейки получат нагрузку, превышающую их номинальную мощность.
• Ежегодно смазывайте крепежные детали. Противозадирный состав на монтажных поверхностях основания тензодатчика и резьбе контрольного стержня предотвращает коррозионное соединение и гарантирует возможность возникновения небольших движений, необходимых для точных измерений.

Как на точность весов влияет количество и размещение тензодатчиков

Количество и размещение датчиков веса под платформой весов влияет как на точность измерений, так и на резервирование системы. Не существует единого универсального стандарта — конфигурации выбираются на основе длины платформы, ожидаемых типов транспортных средств и требований к точности.

Стандартные 18-метровые одноплатформенные весы обычно используют 6 тензодатчиков : по два под каждой из трех основных поперечин. Это обеспечивает хорошее распределение нагрузки и достаточную избыточность — если одна ячейка выходит из строя, система часто может обнаружить отказ по несбалансированному угловому считыванию, а не по катастрофической неточности. Некоторые высокоточные приложения используют 8 ячеек под четырьмя перекладинами для лучшего покрытия.

Многоярусные мостовые весы, где каждая платформа взвешивает отдельные группы осей отдельно, требуют отдельных наборов ячеек под каждой палубой, при этом каждая группа ячеек обрабатывается независимо. Четырехъярусные мостовые весы могут использовать От 16 до 24 тензодатчиков В целом каждая группа калибруется независимо, чтобы гарантировать, что сумма показаний отдельных осей равна общей массе транспортного средства, измеренной при взвешивании транспортного средства в целом.

Симметрия размещения клеток важна. Асимметрично расположенные ячейки создают неравномерную карту чувствительности по всей поверхности колоды: нагрузки рядом с кластером ячеек регистрируются точнее, чем нагрузки, расположенные посередине между ячейками. Практика качественной установки включает проверку угловой чувствительности завершенной установки с использованием эталонной массы, размещенной в каждом углу, и сравнение показаний. Хорошо сбалансированная установка демонстрирует менее ±0,1% отклонения через угловые позиции.