Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Snímače sil

Automa 4/2000

Ing. Jiří Černohorský, DrSc.

Snímače sil

Obr. 1.

Snímače sil s elektrickým výstupem jsou významnými prvky měřicí a automatizační techniky. Více než 90 % těchto snímačů je instalováno v elektromechanických vahách. Ve snímačích sil pro vážení (dále snímače zatížení) jsou v současné době využívány téměř výhradně kovové tenzometry, protože takové převodníky statického zatížení na elektrický signál lze v porovnání s ostatními měřicími principy vyrobit s větší přesností a dlouhodobou stabilitou.

V různých technologických zařízeních, např. v elektrohydraulických a dalších zkušebních strojích, jsou pro měření a řízení průběhů dynamických sil výhodně používány snímače síly s polovodičovými tenzometry. Jejich velká citlivost umožňuje konstruovat tyto snímače pro měření v širokém frekvenčním rozsahu. Snímače síly s polovodičovými tenzometry mohou být konstruovány i pro technologické vážení. Na trh jsou často uváděny v miniaturním provedení. Toho se využívá např. v lékařství. Známé jsou aplikace měření sil působících při jídle na zubní protézy, v některých částech zažívacího traktu, při konstruování kloubních náhrad apod. Dříve častěji používané snímače s induktivním nebo kapacitním měřicím principem jsou v současné době vyráběny jen zřídka.

Snímače síly jsou kalibrovány v newtonech, kilonewtonech a meganewtonech. Výstup snímačů zatížení je kalibrován v gramech, kilogramech a tunách, tedy se zohledněním gravitační konstanty. Používají-li se pro vážení v obchodním styku, jsou zařazeny mezi stanovená měřidla a v České republice podléhají legálnímu metrologickému dozoru podle zákona o metrologii. Podle doporučení OIML (Organisation International Métrologie de Légale), směrnice IR60, jsou využívány nejčastěji ve třídě C, kde je měřicí rozsah vážení rozdělen např. na 3 000 dílků. Při měření je přípustný interval teplot –10 °C až +40 °C.

Pro technologická vážení je největší přípustná chyba snímačů zatížení určena požadavky konkrétního technologického procesu. Zpravidla je uvedena v podnikové či oborové normě. V praxi se nejčastěji pohybuje v rozmezí 0,05 % až 3 % ze jmenovité hodnoty zatížení.

Snímače jsou dodávány pro jmenovitá zatížení od 5 N do 12 MN. Jejich metrologické charakteristiky jsou definovány chybou linearity dL, chybou hystereze dH, chybou reprodukovatelnosti dR, chybou dopružování (tečení) dT, chybou nulové hodnoty měřicího signálu způsobenou změnou teploty dt0, chybou jmenovité hodnoty měřicího signálu způsobenou změnou teploty dtJ. Tak zvaná sloučená chyba dS zahrnuje chyby dL, dH a dR.

Obr. 2.

Špičkoví výrobci snímačů zatížení dodávají pro vážení v obchodním styku nejpřesnější snímače se sloučenou chybou přibližně 0,010 až 0,015 % jmenovitého zatížení. Snímače pro přesná fyzikální měření v kalibračních zařízeních pro provozní snímače sil a pro váhy v aerodynamických tunelech mají sloučenou chybu ještě menší. Vývojáři přesných snímačů zatížení vědí, že v mechanické technologii i v teorii pružnosti se používá zjednodušujících výkladů, takže učebnicové poznatky pro optimální konstruování měřicích členů ve snímačích zatížení nestačí. Je třeba je doplňovat analytickými a experimentálními studiemi vlivu efektů vyšších řádů, aby se docílilo špičkových výsledků. Významnou roli hrají dlouhodobé zkušenosti, které nenalézají vždy oporu v teorii, ale praxe je potvrzuje.

K dosažení co nejmenších chyb je z hlediska praxe třeba znát alespoň v obecné rovině vliv hlavních částí přesných snímačů zatížení na jejich metrologické charakteristiky. Tvar měřicího (deformačního) členu je rozhodující pro docílení lineárního převodu vektoru zatížení na povrchovou deformaci měřicího členu v místě nalepených tenzometrů, pro velikost hystereze a významně ovlivňuje dopružování.

Materiál měřicího členu má vykazovat minimální hysterezi, dopružování a vnitřní pnutí po tepelném zpracování a stálost i izotropii modulu pružnosti v tahu, který má být lineárně závislý na teplotě. Musí vykazovat vysokou mez kluzu a vysokou dynamickou pevnost.

Spojení měřicího členu s pláštěm snímače má především eliminovat vliv parazitních sil na měřicí signál.

Plášť snímače hermeticky uzavírá prostor kolem měřicího členu, který může být vyplněn inertním plynem, výrazně zpomalujícím degradační procesy měřicího obvodu snímače. Plášť snímače může působit jako mechanická pojistka při přetížení snímače. V případě potřeby může zabezpečit snímač pro použití v korozivním nebo explozivním prostředí.

Tenzometry mají s časem, s opakovanými zatěžovacími a teplotními cykly vykazovat konstantní metrologické vlastnosti (neměnný ohmický odpor a činitel deformační citlivosti při konstantní teplotě a minimální prokluz).

Funkce lepidla je ideální, přenáší-li jeho tenká vrstva po celé funkční délce tenzometru trvale a věrně povrchovou deformaci měřicího členu a vytváří-li dostatečný izolační odpor mezi vývody tenzometru a materiálem měrného členu. Lepidla patří k tuhým kapalinám, neřídí se Hookeovým zákonem a jednou z jejich charakteristických vlastností je tečení.

Kompenzační prvky umísťované ve snímači podstatně zmenšují odchylku nulového a měřicího signálu v závislosti na teplotě. Pro kompenzace jsou převážně používány pasivní prvky se žádaným průběhem nelineární závislosti velikosti procházejícího proudu na teplotě.

Přesnost snímačů zatížení zpravidla limituje chyba způsobená tečením a přetvářením materiálu měřicího členu a tečením a stárnutím tenzometrů a lepidla.

Koncepce snímače zatížení je do značné míry určena volbou měřicího (deformačního) členu. Podle druhu napjatosti pod přilepenými tenzometry, vyvolané měřeným zatížením, rozeznáváme tři druhy měřicích členů: s napjatostí způsobenou tlakem (tahem), s napjatostí způsobenou ohybem nebo s napjatostí způsobenou smykem. V poslední době se pozornost konstruktérů soustřeďuje na měřicí členy se smykovou napjatostí, která přináší mnoho výhod: malou citlivost ke změnám působiště měřeného zatížení, malou stavební výšku měřicího členu, jeho značnou tuhost, vynikající linearitu závislosti působícího zatížení na měřicím signálu.

Použité tenzometry a lepidla jsou zpravidla dlouhodobě podrobně zkoušeny s cílem minimalizovat jejich tečení a stárnutí, a jsou--li tyto procesy v jistých mezích reprodukovatelné, kompenzovat celkový proces degradace snímačů zatížení s časem.

Obor přesných snímačů sil i dalších fyzikálních veličin se stává aktuálnějším s rozvojem informačních technologií. Potřeba těchto snímačů roste. Jde vesměs o výrobky s velkou přidanou hodnotou. Úspěšné zavedení takové výroby v České republice by bylo všestranně prospěšné. Je třeba vzít v úvahu, že předním kritériem úspěšného vývoje a výroby snímačů je jejich vyhovující cena a jakost v globální konkurenci.