Czujniki tensometryczne w systemach wagowych

Firma WObit, istniejąca na rynku automatyki przemysłowej już 20 lat, dostarcza swoim Klientom szereg urządzeń dedykowanych właśnie do takich systemów pomiarowych. Są to przede wszystkimi tensometryczne czujniki siły, wzmacniacze dedykowane do tych czujników, wskaźniki cyfrowe oraz panele operatorskie.

Podstawowym elementem każdej wagi elektronicznej, urządzeń do pomiaru sił ściskających, rozciągających, naprężeń itp. jest czujnik tensometryczny, potocznie zwany tensometrem. Czujniki te zazwyczaj umieszczane są pod podporami zbiornika lub platformy wagowej. W połączeniu z odpowiednimi urządzeniami pomiarowymi można realizować pomiar masy, wywieranej siły lub dozowania surowców (np. przy napełnianiu butelek płynem).

O zastosowaniu odpowiedniego typu tensometru decyduje wiele czynników. Przede wszystkim są to warunki i wymagania pomiaru, związane z materiałem, kształtem elementu konstrukcyjnego czujnika, rodzajem obciążeń, temperaturą pracy. Obecnie najszersze zastosowanie znajdują tensometry oporowe, które są najczęściej stosowane w pomiarach laboratoryjnych i użytkowych. Charakteryzują się licznymi zaletami, m.in. wysoką czułością, dokładnością, małymi wymiarami, odpornością na drgania i wstrząsy, przystosowaniem do pracy w wysokich temperaturach i ciśnieniach oraz możliwością umieszczania na powierzchniach zakrzywionych.

Zasada działania tensometru oporowego

Zasada działania tensometru oporowego wykorzystuje właściwości fizyczne drutu metalowego, polegające na zmianie jego oporu elektrycznego wraz ze zmianą jego długości. Drut oporowy (lub folia) naklejany jest za pomocą specjalnego kleju na element odkształcający się pod wpływem działających sił lub momentów. Dzięki temu materiał oporowy czujnika ulega identycznym odkształceniom jak element, do którego został przyklejony.

W zależności od kształtu i ułożenia elementu oporowego wyróżnia się tensometry wężykowe (drut rezystancyjny o średnicy ułamków milimetra uformowany w kształcie wielokrotnego wężyka), tensometry kratowe (szereg drucików ułożonych równolegle i połączonych znacznie grubszymi odcinkami taśmy miedzianej) oraz tensometry oporowe foliowe, złożone z siatki rezystancyjnej w postaci wężykowej, wykonanej z cienkiej metalowej folii sklejonej z podkładką nośną. To ostatnie rozwiązanie stosowane jest najczęściej.

Na rys. 1 przedstawione zostały przykładowe tensometry foliowe przeznaczone do naklejenia na element, który będzie poddawany działaniu sił lub naprężeń.

W przemyśle spotykane są zazwyczaj gotowe czujniki w postaci tensometru foliowego przyklejonego do obudowy. W zależności od konstrukcji elementu nośnego (obudowy), czujnik taki może służyć do pomiaru małych sił w zakresach pojedynczych niutonów, jak i ogromnych sił, liczonych w dziesiątkach kiloniutonów. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy czujnik tensometryczny (belkowy) z widocznymi tensometrami foliowymi (otoczone kółkami).

WObit ma w swojej ofercie czujniki siły w różnym wykonaniu. Niektóre z nich zostały przedstawione na rys. 3. Są to następujące modele:

Pomiar siły z wykorzystaniem czujników tensometrycznych

Tensometry w technice pomiarowej pracują najczęściej w układzie tzw. mostka Wheatshone’a (rys. 4). Mostek ten składa się z czterech gałęzi utworzonych z czterech elementów. Zazwyczaj jest to tensometr o oporności R1, tensometr kompensacyjny o oporności R2 oraz dwa oporniki R3 i R4. Tensometr kompensacyjny kompensuje wpływy czynników ubocznych, a w szczególności temperatury i wilgotności. Stosuje się także inne konstrukcje, z większą liczbą tensometrów

Mostek tensometryczny zasilany jest w punktach A i B znanym napięciem stałym Uzas. Wówczas na przekątnej gałęzi mostka pojawia się napięcie proporcjonalne do mierzonej siły. Z racji, iż zmiany ΔR są bardzo małe (0,01–1 Ω), zmiany napięcia w gałęzi także są niewielkie i mieszczą się w granicach 0,1 % Uzas. Przykładowo, przy zasilaniu czujnika napięciem 10 V, wyjściowe napięcie będzie zmieniało się w zakresie 0–20 mV, w zależności od obciążenia mostka.

Wartość zmian napięcia określa stała mostka K, której wartość podawana jest w jednostkach mV/V. Oznacza to, że dla mostka o stałej 2 mV/V, przy nominalnym (maksymalnym) obciążeniu czujnika, sygnał wyjściowy wynosi 2 mV na każdy wolt zasilania mostka. Przykładowo, dla czujnika tensometrycznego o nominalnej sile 200 N i stałej 2 mV/V, zasilanego napięciem 10 V, zmierzona wartość siły będzie wynosiła

Siła [N]=   (Pomiar [mV]/(2 [mV] × 10  V)) × 200 N.

Przy zerowym obciążeniu sygnał z czujnika powinien wynosić 0 ±1 % maksymalnego napięcia wyjściowego mostka. Jeśli jest więcej, to czujnik uległ najprawdopodobniej uszkodzeniu. Jest to zazwyczaj spowodowane przekroczeniem obciążenia nominalnego mostka.

Urządzenia pomiarowe

Firma WObit produkuje urządzenia współpracujące z czujnikami tensometrycznymi, które zapewniają stabilny pomiar z rozdzielczością nawet do 100 tys. działek pomiarowych. Urządzenia te mają wszechstronne zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w laboratoriach badawczych, gdzie istnieje konieczność zgrubnego lub precyzyjnego pomiaru siły (ciężaru). Układy te wyposażone są m.in. w wyjścia cyfrowe z programowalnymi progami załączenia. Jest to szczególnie przydatne przy połączeniu modułu z prostymi urządzeniami zewnętrznymi (np. sygnalizatorem świetlnym). Komunikacja z urządzeniem odbywa się przy wykorzystaniu interfejsu USB/RS-232 (w przypadku połączenia np. z komputerem PC) lub RS-485 w protokole Modbus RTU (do komunikacji np. z panelami HMI lub sterownikami PLC). Dodatkowo moduły jedno- i czterokanałowe mają skalowane wyjście napięciowe, co również przydatne jest w niektórych aplikacjach.

Parametry urządzeń produkcji WObit zostały zestawione w tabeli.

Na szczególną uwagę zasługuje wskaźnik cyfrowy MD100-T, który jest sprawdzonym układem, oferowanym na rynku od 3 lat. Jest wyposażony w czytelny, 6-pozycyjny wyświetlacz ledowy, pokazujący aktualną wartość pomiaru. Urządzenie pozwala na zaprogramowanie i sygnalizowanie (za pomocą wyjść przekaźnikowych) dwóch ustalonych przez użytkownika progów pomiarowych. Dodatkowo wskaźnik wyposażony jest w wyjście napięciowe 0…10 V oraz interfejs cyfrowy RS-232, który pozwala na komunikację, np. z komputerem PC. WObit do tego urządzenia dostarcza darmowe oprogramowanie, umożliwiające m.in. konfigurację układu, wizualizację pomiarów oraz rejestrację danych do pliku. Na rys. 5 przedstawiono okna programu na komputer – MD100-PC (okno wizualizacji i konfiguracji wyjść).

Wskaźniki tego typu zostały wykorzystane m.in. przez firmę Techpak ze Środy Wielkopolskiej w systemie naważania w nalewakach do butelek. W systemie producent zainstalował cztery punkty naważania (cztery nalewaki), gdzie każdy punkt pomiarowy złożony był ze wskaźnika MD100-T oraz belkowego czujnika siły firmy Megatron (również z oferty WObit). Takie rozwiązanie umożliwia operatorowi maszyny m.in. podgląd aktualnej wagi napełnianej butelki. Użytkownik ma również możliwość zmiany nastaw wyjść wskaźników MD100-T, co pozwala na sygnalizowanie przekroczenia określonych progów wagowych. Zdjęcie urządzenia zostało przedstawione na rys. 6.

Urządzenia wskazujące do modułów pomiarowych – panele operatorskie

Moduł pomiarowy serii ADT8-RS-485 (patrz tab.), aby zapewnić komunikację np. z panelami HMI, został wyposażony w cyfrowy interfejs RS-485 (z protokołem Modbus RTU). Dzięki temu automatyk projektujący system wagowy ma możliwość wizualizacji pomiarów i/lub całego cyklu produkcyjnego na panelu. WObit, producent modułu, ma w swojej ofercie również panele operatorskie firmy Kinco, które mogą znaleźć zastosowanie właśnie w takich aplikacjach. Na rys. 7 zostały przedstawione okna panelu Kinco przedstawiające przykładowe aplikacje związane z pomiarem masy.

Moduły pomiarowe do czujników tensometrycznych firmy WObit

Urządzenie	MD100-T	ADT1-U	ADT4-U	ADT8-U
Zasilanie (V DC)	230 V AC (opcja 12 V DC)	9–12	9–12	9–12
Liczba kanałów	1	1	4	8
Częstotliwość pomiarów na kanał [Hz]	10/80 (konfigurowalne)	10/80 (konfigurowalne)	10/80 (konfigurowalne)	10
Interfejs	RS-232	USB (opcja RS-232)	USB (opcja RS-232)	RS-485 (Modbus RTU)
Programowalne wyjścia cyfrowe	2 (przekaźniki)	4 (tranzystory)	4 (tranzystory)	1 (tranzystor)
Wyjście napięciowe (V)	0–10	0–5	0–10	brak
Darmowe oprogramowanie na komputer PC	TAK	TAK	TAK	NIE

mgr inż. Adam Sarzyński
mgr inż. Marcin Prokopiak
P.P.H. WObit E.K.J. Ober S.C.
ul. Gruszkowa 4, 61-474 Poznań
+48 61 835 0800
wobit@wobit.com.pl
www.wobit.com.pl

źródło: P.P.H. WObit E.K.J. Ober S.C.