Тензодатчики, схема подключения, принцип работы

Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?

Главная / Сервисная служба / Документация и программное обеспечение / Статьи Старые / Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?

Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?

Этот вопрос легко решается, если следовать советам компании ЮНИВЕС. Сначала поймём, что такое тензометрический датчик? Силоизмерительный тензодатчик предназначен для преобразования усилий (механических деформаций) в электрический сигнал и применяется как комплектующее изделие в весах, весодозирующих и силоизмерительных устройствах. Чтобы не ошибиться при выборе тензодатчика необходимо однозначно представлять себе следующие технические вопросы: 1. Возможные варианты размещения датчиков (датчика) в весовом устройстве в зависимости от его конструкции и предназначения. Возможно, ваша система взвешивания будет монтироваться на одном датчике либо Вы планируете использовать несколько датчиков

В случае, если центр тяжести находится ниже места крепления тензодатчика Вам следует обратить внимание на S-образные датчики растяжения. Если центр тяжести находится выше места крепления тензодатчиков Вам потребуются датчики сжатия

В случае использования одного датчика сжатия обратите внимание на алюминиевые датчики. Если используется несколько — на конструкции узлов встройки для выбранного типа датчика. 2. Максимальная удельная нагрузка на датчик и возможные перегрузки. Максимальная удельная нагрузка на датчик определяется как сумма веса весоприемной конструкции, собственно веса продукта и дополнительных нагрузок от внешних воздействий (возможных смещений груза, динамического нагружения, ветровых нагрузок). Желательно, чтобы рассчитанная максимальная удельная нагрузка не превышала НПВ датчика. Всегда выбирайте датчик с большим НПВ в случае, если рассчитанная максимальная удельная нагрузка несколько больше ближайшего значения НПВ. 3. Требуемая точность системы и желаемая дискретность отсчета. Различайте цену поверочного деления вашей весовой системы (е) и дискретность отсчета (d), которую может обеспечить ваша система. Помните, что погрешность измерения определяется нагрузочной кривой тензодатчика и жесткостью системы (отношением нагрузки к деформации), а дискретность — лишь возможностью АЦП весового индикатора. Для того чтобы достичь погрешности 0,03% Вам необходимо использовать датчик типа D3 или С3. Если Вам необходимо получить более высокие погрешности (0,02%) используйте датчики А5. Помните, что при использовании нескольких датчиков точность системы повышается в N раз, где N — число датчиков. Выбирая датчик знайте, что CAS обеспечивает 40% рабочий интервал для всех датчиков, т.е любой датчик будет соответствовать своим метрологическим данным D3, С3 или А5 даже при использовании 40% рабочего диапазона. 4. Устойчивость показаний. Для устойчивой оцифровки аналогового сигнала весовым индикатором рекомендуется выполнение следующего условия 1d = 1,5…2,0 мкВ. При этом обращайте внимание на рабочий коэффициент передачи датчика (РКП) и выбирайте НПВ датчика(ов) с разумным запасом. 5. Условия эксплуатации датчиков. Всегда обращайте внимание на указанную степень защиты (IP) датчика. Помните, что для использования в агрессивных средах следует использовать датчики с IP не ниже 67. 6. Предполагаемые инвестиции (выбирайте согласно принципу цена-качество). Самым надёжным в конструкции — датчики, так как именно этот элемент конструкции определяет точность, надежность и долговечность весовой системы в целом.Поэтому помните, что скупой платит дважды. 7. Формальности при покупке и гарантийные обязательства. При покупке датчика проверьте наличие калибровочного сертификата датчика. Данный сертификат с указанием индивидуального номера датчика и его технических характеристик является одновременно инструкцией по эксплуатации данного датчика и его гарантийным талоном. Помните, что продавец в праве отказать в бесплатном ремонте или замене датчика, в случае потери калибровочного сертификата датчика. Всегда сохраняйте индивидуальный калибровочный сертификат. В случае необходимости Вы можете получить копию метрологического сертификата о внесении данного типа датчика в государственный реестр средств измерений. 8. Что дальше? Вам необходимо выбрать весовой индикатор и, если Вы намерены использовать более одного датчика, — соединительную коробку. На все возникшие вопросы Вам ответят специалисты компании ЮНИВЕС по телефону.

Тензометрические датчики веса и силы широко применяются в современном взвешивающем оборудовании.

Чувствительным элементом такого оборудования является тензорезистор с электронной согласующей схемой, встроенные в алюминиевый или стальной корпус. Деформация объектов позволяет измерить различные физические величины, например, объем, силу и вес.

Внешнее электронное оборудование на основе показаний с датчиков определяет величину требуемого параметра. Схемо-технически подключение датчиков выбирается для компенсации температурного влияния.

Изменение сопротивления датчика от приложенной силы тензометрических датчиков носит линейный характер, что упрощает процесс преобразования.

Рис. 1

Тензорезисторы в зависимости от типа чувствительного материала делятся на проволочные, пленочные и фольговые. Наибольшее распространение получили фольговые датчики (Рис. 1), в которых тензоматериал 1 наносится на подложку 3 методом травления как в печатных платах.

Для защиты от внешней среды датчик покрывается защитным слоем 4. Выводы 2 служат для подключения внешней измерительной схемы.

Под действием груза или приложенной силы возникает деформация корпуса и тензористора, вызывая изменения сопротивления. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.

Материалом для измерения деформации служит манганин или константан. Отличие пленочных датчиков (Рис. 2) состоит в используемым полупроводниковом чувствительном элементе М.

Поэтому пленочные тензорезисторы не применяют в условиях резкого колебания температур, т.к. тепловые процессы внутри полупроводника приводят к нелинейности выходного сопротивления.

Рис. 2

Измерительным элементом проволочных датчиков силы и веса (Рис. 3) являются несколько параллельно соединённых

Рис. 3

тензочувствительных проводников 1.Параллельное соединение повышает чувствительность измерений. Гибкая подложка 3 подвергается внешней деформации, проводники залиты защитным слоем цемента или клея 4. К внешнему оборудованию датчик подключается через выводы 2.

Проволочные датчики в простейшем случае служат для измерения давления. В таких датчиках катушка из тензочувствительного материала, помещенная в объем измеряемой жидкости или газа меняет свое сопротивление под действием давления.

Максимальная нагрузка и точность измерения веса и силы зависит от конструктивных особенностей корпуса датчика и количества измерительных резисторов.

Верхний и нижний пределы измерения веса современных тензометрических весов колеблются от нескольких тонн до нескольких грамм. Одноточечные балочные датчики с одним измерительным элементом в большинстве случаев имеют алюминиевый корпус и используются для измерения небольшой массы груза в фасовочных и дозирующих системах (Рис. 4).

Одноточечные датчики преобразуют величину поперечной деформации в электрический сигнал.

Рис. 4

Электрическая измерительная часть тензометрического датчика надежно изолирована от внешней среды и не подвержена влиянию влажности и пыли и может работать в широком диапазоне температур (Для большинства датчиков от -40 до +80 градусов).

Выбор максимальной нагрузки, как правило, осуществляется с запасом для исключения повреждения датчика. Важным параметром датчиков веса и силы является класс точности. Наибольшее распространение получили датчики с классом С3 с нормированной по ГОСТу точностью в 0,002 %.

Чтобы снизить величину ошибки измерения для каждого вида датчика нужно выбрать правильное место установки.

Балочные датчики (Рис. 5) закрепляются неподвижно одним торцом, а на другой край подвешивается груз. Типичный вес нагрузки таких датчиков – от нескольких килограмм до нескольких тонн.

Рис.5

Цилиндрические тензометрические датчики силы (Рис. 6), также известные как «шайбовые», имеют стальной корпус, применяются для взвешивания грузов массой до нескольких десятков тонн. Такие датчики используется для модернизации устаревших бункерных весов, для определения массы автомобилей, вагонов, крупногабаритных емкостей.

Рис.6

S-образные датчики (Рис. 7)работают на сжатие и растяжение, являются измерительной системой в подвесных весах.

Рис.7

Современные тензодатчики находят широкое применения для измерения различных параметров, связанных с механической деформацией объектов, таких вес, нагрузки износ оборудования. Такие системы применяются в охранных системах, металлургии, в промышленном оборудовании, при взвешивании автомобилей и другого транспорта и негабаритных грузов.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Тензорезистивный метод

Сейчас это наиболее удобный и чаще других используемый метод. При деформации электропроводящих материалов (металлов, полупроводников) происходит изменение их удельного электрического сопротивления и, как следствие, — изменение сопротивления чувствительного элемента датчика. В качестве проводящих материалов обычно используются металлические плёнки, напылённые на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые датчики. Сопротивление чувствительного элемента измеряется тем или иным способом.

Конструкция типичного металлического датчика

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

На диэлектрическую подложку (например, полимерную плёнку или слюду) в вакууме через напыляют плёнку металлического сплава, либо формируют проводящую конфигурацию на подложке фотолитографическими методами. В последнем случае на предварительно напылённую сплошную плёнку металла на подложке наносят слой фоторезиста и засвечивают его ультрафиолетовым излучением через фотошаблон. В зависимости от вида фоторезиста, либо засвеченные, либо незасвеченные участки фоторезиста смываются растворителем. Затем незащищённую фоторезистом металлическую плёнку растворяют (например, кислотой), формируя фигурный рисунок металлической плёнки.

В качестве материала плёнки обычно используются сплавы, имеющие низкий температурный коэффициент удельного сопротивления (например, манганин) — для снижения влияния температуры на показания тензометра.

При использовании тензорезистор подложкой приклеивают к поверхности исследуемого на деформации объекта или поверхности упруго-деформируемого элемента в случае применения в весах, динамометрах, торсиометрах, датчиках давления и др., так, чтобы тензорезистор деформировался вместе с деталью.

Чувствительность к деформации такого тензорезистора зависит от направления приложения деформирующей силы. Так, наибольшая чувствительность при растяжении и сжатии — по вертикальной по рисунку оси и практически нулевая при горизонтальной, так как полоски металла в зигзагообразной конфигурации сильнее изменяют своё сечение при вертикальной деформации.

Тензорезистор включается с помощью электрических проводников во внешнюю электрическую измерительную схему.

Измерительная схема

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен R_x.

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора R₂ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения R₁ / R₂ = R_x / R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления R_x может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора R₃ включают такой же тензорезистор, как и R_x, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие сервисные функции.

Схемы подключения

Конструкции тензометрических датчиков, в частности, их малая жесткость, вынуждают применять особые способы подключения рассматриваемых элементов. Например, участки проволочной решетки в местах возможного изгиба при деформации часто располагаются поперечно к направлению измерений. Они воспринимают составляющие удлинения, действующие именно в этом направлении, и поэтому недостаточно точно реагируют на силы и деформации продольного направления. Отношение чувствительности измерения удлинений в продольном и поперечном направлениях для датчиков проволочного исполнения находятся в пределах от -0,01 до +0,04.

Влияние описанного фактора уменьшается, если для измерения напряжений, крутящих моментов или усилий использовать фольговые силоизмерительные датчики. По аналогии с печатными схемами, измерительная фольговая решетка, которая расположена на пластмассовой подложке, может быть получена в результате травления тонкой металлической фольги. Кроме того, токовая нагрузка на тензометрические датчики фольгового типа больше, чем на проволочные, вследствие чего тепло от фольговых тензометров отводится лучше.

Тензорезисторы часто приклеиваются к исследуемому конструктивному элементу. Клеевое соединение обеспечивает постоянную передачу деформации через подложку на измерительную решетку. Поэтому к клеям предъявляется также и ряд особых требований:

Высокое сопротивление ползучести.
Отсутствие гистерезиса.
Влагостойкость.
Адгезионная способность.
Температуростойкость.

Наибольшую эксплуатационную надежность проявляют эпоксидные смолы холодного твердения. Для экспериментального определения многосторонней деформации используют розеточную систему данных устройств, которые образуют измерительный мост. При этом образованная схема состоит из не менее, чем четырех закрепленных на подложке датчиков, которые размещаются крестообразно, треугольником, т-образно, в виде звезды. Благодаря многолучевому размещению тензорезисторов их удлинения измеряются в двух, трех или четырех направлениях.

Микросхема INA125

Здесь так же показана схема подключения тензодатчика мостового типа к данной микросхеме. Кроме инструментального усилителя в состав данной микросхемы сходит ИОН – источник опорного напряжения для питания моста тензодатчика. Выходное напряжение ИОН можно изменять дискретно, подключая к соответствующим выводам микросхемы, вывод 4. Эти же напряжения можно использовать в качестве опорного напряжения для АЦП при оцифровке выходного напряжения сигнала. Это уменьшает ошибки оцифровки при флуктуациях напряжения питания устройства. Еще одним из достоинств этой микросхемы является и то, что требуемый коэффициент усиления инструментального усилителя (масштабирующего), устанавливается всего одним резистором, на схеме – R1.

Микросхема и резистор, задающий коэффициент усиления инструментального усилителя установлены на небольшой печатной плате, рисунок 3.

Для проверки всей схемы был использован наспех собранный цифровой вольтметр, состоящий из АЦП преобразователя и микроконтроллера с индикатором. В качестве АЦП была применена микросхема ADS1286, это 12 разрядный АЦП, позволяющий оцифровывать напряжение сигнала на выходе INA125 с точностью до 0,001В. В программу контроллера была введена подпрограмма коррекции нуля. И так, выяснилось, что зона чувствительности моего датчика начинается с пятидесяти граммов, примерно. Потом идет нелинейный участок до 370 граммов. Далее начинается линейный участок. Точность линеаризации проверить не удалось за неимением точных разновесов. Таким образом, в случае использования датчика в составе цифровых весов, последний должен быть преднагружен 370 граммами. Повторяемость показаний в принципе не плохая. Дрейф показаний при длительных нагрузках особо не проверял. Но при нагрузке в 1000 граммов через 9 часов непрерывного взвешивания показания изменились на 1 грамм. Это мое первое знакомство с данными датчиками, поэтому сделать однозначный конкретный вывод не могу. Но думаю, что существуют определенные места, где можно будет использовать эти «сверхточные» устройства.

Область применения тензодатчиков

Изо дня в день тензометрические датчики все больше применяются в различных сферах современной промышленности. Они являются оптимальным решением в области производства весоизмерительных систем. Для того чтобы Вам было легко определить сферы, где применяются тензометрические датчики, мы условно обозначили их и кратко описали конструкцию.

Ассортимент тензометрических датчиков, выпускаемых компанией «ZEMIC USA Inc» достаточно разнообразный и имеет классификацию.

Рассмотрим балочный тип тензометрических датчиков. Данный тип датчиков применяется для производства платформенных электронных весов, а также для весоизмерительных систем. Балочные тензодатчики зарекомендовали себя одним из массовых конструктивных устройств, применяющиеся в весоизмерении многих промышленных предприятий современности. Вследствие низкого профиля и высоких метрологических характеристик именно балочные тензометрические датчики массово применяются в промышленных системах, где важным процессом является весовое взвешивание и дозирование.

Стержневой тип тензометрических датчиков. Данный тип датчиков применяется для производства и модернизации бункерных, автомобильных, вагонных весов с большой грузоподъёмностью, а также в контрольно-измерительном оборудовании, испытательных стендах.

Следующий тип датчиков: мембранный. Он массово применяется при производстве вагонных, бункерных, автомобильных весовых системах. Также мембранные датчики используются в тех весодозирующих системах, где обыкновенные датчики не могут быть внедрены в конструкцию из-за своих габаритных размеров. В процессе взвешивания дозаторов, бункеров и прочих конвейерных весовых систем нашли свое применение S-образные тензометрические датчики. Следует отметить, что такие датчики превосходно подойдут для разрывных машин и испытательных стендов.

Одноточечные тензометрические датчики. Они предназначены для весового измерения небольших нагрузок (до 1 – 2 тонн) и применяются в производстве торговых, фасовочных, товарных, платформенных, бункерных, монорельсовых весов и дозаторов, а также фасовочного оборудования. При этом тензометрический датчик выступает единственным в системе и размещается под центральной частью грузоприемной весовой платформы.

Балочный двухопорный тип тензометрических датчиков. При его рассмотрении хочется отметить, что преимущественно его используют для производства и модернизации вагонных и автомобильных весовых систем. Имеет место их применение для изготовления систем взвешивания цистерн, систем взвешивания на автотранспортных средствах, для замера осевой нагрузки транспортных средств и в разных электронных весовых приборах.

Существует специальный тип тензометрических датчиков. Такие датчики используются в системах для специального назначения. Например, для измерения натяжения тросов, козловых и мостовых кранах, в крановых весах, подкладных весах и прочих. Данный тип тензометрических датчиков производится по спецзаказу.

Мы надеемся, что данная публикация расширит Ваши знания в этой области и поможет легко ориентироваться в широком разнообразии тензометрических датчиков. Наши специалисты всегда дадут Вам правильный совет и окажут профессиональную помощь при выборе тензодатчиков.

1) Проверка сопротивления изоляции.

Для выполнения данного теста, необходимо подключить мегомметр к кабелю тензодатчика и проверить на наличие тока утечки между корпусом тензодатчика и токоведущими частями. Для проверки тензометрических цепей Keli допускается применение мегомметра напряжением не более 50В постоянного тока.

Для функционирующего тензодатчика значение снятых замеров не должно быть ниже 5 Мом. Если значение сопротивления изоляции меньше 1кОм – это свидетельствует о явном коротком замыкании. Короткое замыкание может быть между корпусом тензодатчика и токоведущими частями (тензорезисторами), а также в кабеле. При коротком замыкании в кабеле, его можно заменить, если это предусматривает конструкция тензодатчика.

Тензодатчик и НХ711

Интегральная микросхема НХ711 представляет собой аналого-цифровой преобразователь с частотой дискретизации 24 бит и встроенным малошумящим операционным усилителем. Мультиплексор позволяет выбирать один из двух имеющихся входных каналов. Канал А имеет программируемый выбор коэффициента усиления, который может быть 64 или 128. Канал В работает с предустановленным коэффициентом, равным 32.

В состав микросхемы входит интегральный стабилизатор напряжения, что исключает необходимость применения внешнего стабилизатора. На вход синхронизации может быть подан любой импульсный сигнал от внешнего источника, вместе с тем АЦП допускает работу от встроенного генератора.