"Přesnost je zdvořilost králů!" V dnešní době je tento středověký francouzský aforismus stále aktuálnější. Přístroje založené na tenzometrické technologii se stále častěji používají pro přesná měření v průmyslu i domácnostech. Tenzometry, neboli snímače deformace (prodloužení, prohnutí) na změnu odporu, byly poprvé prakticky sestrojeny v roce 1938 a od té doby se používají v mnoha oblastech průmyslu. Například je využívají stavbaři, architekti, projektanti, automobilový a strojírenský průmysl, a také je najdete při měření tlaků a sil v pneumatických zařízeních apod. Na první pohled neviditelné se pak objevují v oblasti topení a vzduchotechniky, kde jsou schovány miniaturní integrované křemíkové tenzometry v senzorech a snímačích tlaku a síly. Prostě všude tam, kde je nutné přímo elektricky měřit nebo monitorovat deformaci nějakého objektu pevného skupenství.
Co je technologie tenzometrů a k čemu slouží snímače zatížení?
Tenzometrie (z latinského tensus - napjatý) je metoda a technika měření stavu napětí a deformace měřeného objektu nebo konstrukce. Jde o to, že mechanické napětí nelze měřit přímo, takže úkolem je změřit deformaci objektu a napětí vypočítat pomocí speciálních technik, které zohledňují fyzikální vlastnosti materiálu. Tenzometry jsou založeny na deformačním efektu, což je vlastnost pevných materiálů měnit svůj odpor při různých deformacích. Tenzometry jsou zařízení, která měří pružnou deformaci pevného tělesa a převádějí ji na elektrický signál. Tento proces probíhá tak, že se mění odpor vodiče senzoru při jeho natahování a stlačování. Jsou základním prvkem zařízení pro měření napětí v pevných látkách (např. strojních součástech, konstrukcích, budovách).
Historie a vývoj tenzometrů
První tenzometry byly samozřejmě kovové drátkové. V roce 1952 pak vznikl tzv. tenzometr fóliový. Ten se ve velkém množství využívá i dnes, když mu konkurují polovodičové (křemíkové) tenzometry. Ty se sice vyznačují až 60x větší citlivostí, tj. změna odporu na změně délky, ale naopak linearitou a přesností je trumfují právě fóliové.
Princip činnosti odporových tenzometrů
V případě odporových tenzometrů se využívá změny odporu mechanicky namáhaného vodiče délky l0, průřezu S a rezistivitou ρ. Tento jev objevil již v roce 1843 pan Wheatstone. Změny odporu jsou zde nejčastěji dány změnou parametru délky vodiče o Δl. Obvykle nás však zajímá relativní změna odporu ΔR/R, kde R je nominální odpor tenzometru v základním nenamáhaném stavu (F= 0 N). Častěji se však udává koeficient K, tj. součinitel deformační citlivosti, pro který platí vztah ΔR/R=K * ε. Veličina ε představuje relativní deformaci tenzometru ve směru délky tenzometru. Pro kovové tenzometry je typická hodnota K = 2, i když jsou zde odchylky dle materiálu.
Konstrukce a typy tenzometrů
Srdcem tenzometru je tenzometrický snímač, který je vybaven speciálními kontakty připevněnými na přední straně měřicí buňky. Během měření se citlivé kontakty na panelu dotýkají objektu. Tato deformace se měří a převádí na elektrický signál, který se přenáší do zpracovatelských a zobrazovacích prvků tenzometru. V závislosti na oblasti funkčního využití se snímače liší jak typem, tak druhem měřené hodnoty. Důležitým faktorem je požadovaná přesnost měření. Například vážicí čidlo nákladní váhy v pekárně se nevyrovná elektronické lékárenské váze, kde je důležitá každá setina gramu.
Čtěte také: jak odstranit cementové skvrny
Drátové a fóliové tenzometry
- Drátové vinutí: Tenzometry navíjené na kolečka jsou vyrobeny ve formě cívek z drátu o malém průměru a jsou připevněny ke zkoušenému pružnému prvku nebo obrobku pomocí lepidla. Jejich charakteristiky jsou:
- Snadnost výroby
- Lineární závislost na deformaci
- Malé rozměry a cena
- Fólie: Tenzometry jsou v současnosti nejrozšířenějším typem tenzometrů díky svým vysokým metrologickým vlastnostem a možnosti výroby. To je možné díky fotolitografické technologii jejich výroby. Nejmodernější technologie umožňuje vyrábět jednotlivé tenzometry se základnou 0,3 mm, speciální tenzometrická pouzdra a tenzometrické řetězce s širokým rozsahem provozních teplot od -240 do +1100 ºC v závislosti na vlastnostech materiálů měřicí mřížky.
Parametry slitin pro kovové tenzometry
Níže uvedená tabulka uvádí parametry slitin používaných pro kovové tenzometry:
| Materiál | Složení | Koeficient K | Teplotní rozsah (°C) |
|---|---|---|---|
| Konstantan | 55% Cu, 45% Ni | 2.0 - 2.2 | -200 až 150 |
| Karma | 73% Ni, 20% Cr, Al, Fe | 2.0 - 2.5 | -200 až 250 |
| Isoelastic | 36% Ni, 8% Cr, 0.5% Mo, Fe | 3.2 - 3.5 | -200 až 100 |
Dále pak zajímavé jsou parazitní parametry, jako například parazitní teplotní závislosti odporu tenzometru (αR) a konstanty K (αK) nebo rozdílná teplotní roztažnost objektu a tělíska senzoru. Ta poslední vlastnost se řeší rozdílným upravením tenzometru pro různé materiály, na které má být připevněn (např. ocel, hliník, krystal, plastické hmoty apod.).
Další typy snímačů
- Snímače točivého momentu: Jsou určeny k měření točivého momentu rotujících částí, jako je kliková hřídel motoru nebo sloupek řízení. Snímače točivého momentu mohou určovat statický i dynamický točivý moment kontaktním nebo bezkontaktním (telemetrickým) způsobem.
- Nosníkové, konzolové a okrajové zatěžovací buňky: Tyto typy senzorů jsou obvykle založeny na paralelogramové konstrukci s integrovaným ohybovým prvkem pro vysokou citlivost a linearitu měření. Tenzometry jsou připevněny k citlivým částem pružného prvku snímače a jsou zapojeny v plném můstkovém uspořádání. Konstrukčně má tenzometr nosníku speciální otvory pro nerovnoměrné rozložení zatížení a detekci tlakových a tahových deformací. Pro dosažení maximálního účinku jsou tenzometry orientovány přesně k povrchu nosníku v jeho nejtenčím místě pomocí speciálních značek. Vysoce přesné a spolehlivé snímače zatížení tohoto typu se používají k vytvoření vícesenzorových měřicích systémů v plošinových nebo zásobníkových vahách. Používají se také v dávkovacích vahách, plničkách sypkých hmot a kapalin, měřičích napětí kabelů a dalších snímačích zatížení.
- Snímače zatížení v tahu a tlaku: Mají obvykle tvar písmene S a jsou vyrobeny z hliníku nebo nerezové oceli. Jsou určeny pro zásobníkové váhy a váhy s měřicím rozsahem 0,2 až 20 tun. Snímače tahu a tlaku typu S lze použít ve strojích na výrobu kabelů, tkanin a vláken ke sledování tahové síly těchto materiálů. Z hlediska tvaru profilu se vyrábějí snímače knoflíkové, ohybové a tvaru S, pro měření tahu i tlaku.
Výhody a nevýhody zatěžovacích buněk
Výhody tenzometrické technologie:
- Velmi vysoká přesnost.
- Velmi vysoká robustnost.
- Velmi dobře se hodí pro dynamické změny při zatížení.
- Velmi vysoká dlouhodobá stabilita.
- Osvědčená technologie.
- Možnost monolitického spojení mezi tenzometrem a zkoumaným obrobkem.
- Malá tloušťka měřicího prvku, která umožňuje vysokou přesnost měření s chybou 1-3 %.
- Snadná montáž na rovné i zakřivené povrchy.
- Schopnost měřit dynamické deformace s frekvencí až 50 000 Hz.
- Schopnost měřit v obtížných podmínkách prostředí v rozsahu teplot od -240 do +1100˚C.
- Možnost měřit parametry současně v mnoha bodech dílů.
- Možnost měření deformací objektů umístěných ve velkých vzdálenostech od systémů měření tahu.
- Možnost měření deformace v pohyblivých (rotujících) částech.
Nevýhody tenzometrické technologie:
- Vliv meteorologických podmínek (teplota a vlhkost) na citlivost senzorů.
- Nepatrné změny odporu měřicích prvků (přibližně 1 %) vyžadují použití zesilovačů signálu.
Pokud tenzometry pracují ve vysokoteplotním nebo agresivním prostředí, je třeba přijmout zvláštní opatření na jejich ochranu.
Základní schémata připojení
Standardní snímač zatížení pro váhy má čtyři různě barevné vodiče: dva vstupy jsou napájecí (+Ex, -Ex), další dva jsou měřicí výstupy (+Sig, -Sig). Existují také varianty s pěti vodiči, kde další vodič slouží jako stínění pro všechny ostatní vodiče. Fungování nosníkové zatěžovací buňky je poměrně jednoduché. Na vstupy se přivádí napájení a z výstupů se odebírá napětí. Velikost napětí závisí na zatížení měřicího senzoru. Pokud je délka vodiče od snímače zatížení k jednotce ADC značná, pak odpor samotných vodičů ovlivní údaj na stupnici. V tomto případě je vhodné přidat zpětnovazební obvod, který kompenzuje úbytek napětí korekcí chyby odporu vedení vnesené do měřicího obvodu. V tomto případě bude schéma zapojení obsahovat tři páry vodičů: napájecí, měřicí a kompenzační.
Wheatstoneův můstek
Pro omezení vlivu všech rušení se nevyužívá kompenzačního tenzometru, čtyřvodičového zapojení senzoru nebo častěji zapojení tenzometrů do můstku (Wheatstonova můstku) podobně jako u kovových teplotních odporových senzorů typu Pt100. Zde však jsou na můstek kladeny velké nároky, protože rozlišovací schopnost mechanického napětí tenzometrů odpovídá hodnotám deformace 1μstrain (ε = 10-6). Při konstantě K = 2, napájení můstku jednotkami V a odporech tenzometrů 100 Ω, jsou změny napětí v řádu μV a odporu v řádu μΩ. Proto se nejčastěji využívá tzv. plného můstku složeného ze čtyř aktivních senzorů. To poskytuje výhody anulujícího činitele nelinearity, čtyřnásobné citlivosti, nulové chyby vlivem teploty i zanedbatelné chyby přívodů. Tenzometry v můstku jsou obvykle o jmenovitém odporu 120 W, popř. 250 W, 350 W a 600 W.
Čtěte také: Jak vybrat mezi nadomítkovým a podomítkovým zapojením?
Konfigurace tenzometrů pro měření
Při měření působících sil je nutné vždy správně natočit tenzometr do daného směru působení. Základní je jednoduchý tenzometr umožňující měřit pouze v jednom směru (např. v ose x), zatímco tenzometrický kříž již umožňuje měřit směry x i y. Pro měření v různých úhlech (např. 45° nebo 60°) se používá více jednoduchých snímačů vzájemně úhlově pootočených.
Montáž a kalibrace snímačů síly
Tenzometry se používají buď s externí elektronikou, která snímač napájí i převádí signál na 4-20mA/0-10V, nebo se vyrábějí snímače s vestavěným převodníkem. Jako další příslušenství mohou být nabídnuty zobrazovače hodnot a dataloggery. Snímače s integrovanou elektronikou jsou kalibrovány pouze v jednom směru, buď pro tah nebo tlak.
Montážní pokyny
Aby byla zajištěna správná a bezpečná instalace snímačů síly, je třeba dodržovat některá důležitá základní pravidla:
- Vždy aplikujte zátěž vertikálně a rozložte ji rovnoměrně a přesně na snímač.
- Břemeno musí být aplikováno co nejpřesněji ve směru měření siloměru.
- U kombinovaných zátěží je třeba určit skutečnou linii působení síly (výsledný vektor síly) a podle toho seřídit polohu tenzometru.
- Komponenty, které se chovají odlišně, jako jsou excentrické zátěže, boční síly nebo točivý moment, jsou rušivé proměnné a zkreslují signál měření. Kromě toho může být senzor nevratně deformován.
- Deformace nebo mechanické úpravy (např. vrtání otvorů do profilu) se nesmí provádět!
Ochrana proti nárazu, přetížení a rozbití
Při návrhu aplikace pro měření síly je nutné přesně dodržet uvedenou jmenovitou sílu, aby se vyloučily nejistoty měření, nebo v kritických případech zamezilo zničení snímače nevratnou deformací. Pokud mechanická konstrukce aplikace pro měření síly nemůže vyloučit, v kritickém případě, možnost výskytu přetížení, musí být instalována vhodná opatření pro ochranu snímače. Instalace snímače do montážního kitu může při kompresi zabránit jeho nevratné deformaci. Zvláštní pozornost je třeba věnovat při zavěšené poloze siloměru, který je namáhán na tah. V případě zavěšených břemen je třeba přidat opatření (např. řetězy nebo závěsná lana namontována rovnoběžně se siloměrem). V opačném případě se může senzor při přetížení rozbít/roztrhnout a zátěž může spadnout. Zejména siloměry musí být instalovány na pevnou podložku podle montážního návodu. Je třeba zabránit, aby se podložka ohýbala. Nosná konstrukce určená k montáži by měla být dostatečně velká a mít pokud možno rovnou montážní plochu.
Vytvoření konstrukčně stabilního měřícího řetězce
Nosič nákladu, komponenty pro působení síly a snímač síly musí být spojeny pevně, tedy bez vůle. U pohyblivých montážních poloh, zejména také při zavěšení ve směru tahu, musí být pro působení síly použity táhla nebo kruhové matice. V případě víceosých stupňů volnosti by měla být použita kardanová montáž, aby se zabránilo nejistotám měření a zničení snímače nepřípustnými příčnými a bočními silami. Snímače síly se používají pouze v jednom směru zatížení, buď v tahu nebo tlaku. Pro oba typy zatížení jsou převážně vhodné tenzometry tvaru S. Ohybové a knoflíkové siloměry lze obvykle použít pouze pro tlak.
Čtěte také: Montáž LED světel do sádrokartonu
Vyvarování se otřesům a vibracím
Nárazy a vibrace ovlivňují výsledek měření (síla F = hmotnost „m“ x zrychlení „b“), např. superpozicí ve statických měřeních. Při navrhování měřicích rozsahů je třeba vzít v úvahu příslušné dynamické síly a zabránit přetížení převodníku dynamickými změnami zatížení. Rezonanční frekvence různých deformovatelných těles závisí mimo jiné na jejich hmotnosti a tuhosti (mechanické impedanci).
Příklady použití tenzometrů
Tenzometry se ve velkém množství používají všude tam, kde se cokoliv pevného deformuje. Například při projektech a testování maket i hotových letadel se využívá desetitisíců tenzometrů, které sledují veškeré namáhané části.
- Součást konstrukce vah.
- Měření deformačních sil při tváření kovů na kovacích a válcovacích lisech.
- Sledování napěťově-deformačních stavů stavebních konstrukcí a stavebních objektů během jejich montáže a provozu.
- Vysokoteplotní senzory z žáruvzdorné legované oceli pro hutní provozy.
- S pružným prvkem z nerezové oceli pro měření v chemicky agresivním prostředí.
- Pro měření tlaku v ropovodech a plynovodech.
Jednoduchost, pohodlí a zpracovatelnost snímačů zatížení jsou hlavními faktory pro jejich další aktivní zavádění, a to jak v metrologických procesech, tak i při použití v každodenním životě jako měřicích prvků domácích spotřebičů.
tags: #tenzometry #pro #vážení #cementových #sil #zapojení