Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Snímače síly firmy Interface, Inc.

Automa 4/2000

Ing. Karel Janů, CSc.,
DataCon, s. r. o.

Snímače síly firmy Interface, Inc.

Obr. 1.

Společnost DataCon, s. r. o., technické veřejnosti známá komplexním sortimentem všech potřebných komponent a přístrojů pro měření a kalibraci tlaku vlastní výroby nebo z výroby špičkových zahraničních firem Druck, Haskel, Pressure Systems a dalších firem, které zastupuje, rozšířila nabízený sortiment snímačů i do další průmyslové oblasti – do oblasti obecného měření síly.

Společnost DataCon, s. r. o., je výhradním zástupcem americké firmy Interface, Inc., jež v oblasti měření sil působí již více než 25 let a svými výrobky dosáhla značných technických i komerčních úspěchů. Firma Interface sídlí ve městě Scottsdale (předměstí města Phoenix) ve státě Arizona. V této části USA je po většinu roku velmi suché a teplé podnebí, což příznivě přispívá i ke konečné technické kvalitě výroby.

Firma vyrábí tři základní skupiny snímačů síly:

  • snímače s nízkým profilem,
  • minisnímače,
  • superminisnímače.

Obr. 2.

Všechny dále popisované snímače síly jsou založeny na použití odporových tenzometrických můstků, nalepených na nosná kovová měřicí tělesa. Při zatížení kovového tělesa tlakem nebo tahem, tj. silou, je těleso deformováno. Deformace se projevuje jako elektrické rozvážení nalepeného odporového můstku. Tento primární převod mechanic ké veličiny – síly na elektrickou veličinu napětí – na měřicí diagonále můstku je všeobecně znám a běžně používán. Výrazně se však projevují kvalitativní rozdíly mezi jednotlivými výrobci, které spočívají hlavně ve zvládnutí jednotlivých technologických kroků, např. v použitém typu odporových tenzometrů (kovové, polovodičové), způsobu teplotních a jiných kompenzací, ve tvaru měřicích těles, v umístění a nalepení tenzometrů a v množství dalších dílčích technologických postupů. Ty se projeví v celkových technických parametrech a dlouhodobé stabilitě, spolehlivosti, životnosti atd. konečného výrobku.

Firma Interface používá tenzometry vyráběné ze speciálního odporového drátu patentovaným způsobem ve vlastních výrobních provozech. Stejným způsobem jsou vyrobeny i všechny druhy kompenzací. Důležitá je především teplotní kompenzace. Tato technologie má oproti jiným způsobům výroby množství výhod, které se ve srovnání s konkurencí projevují ve špičkových parametrech a relativně nízké ceně. Firma vyrábí na obráběcích strojích CNC ve svých výrobních provozech i veškeré mechanické části všech typů snímačů. Výrobní linky jsou vybaveny potřebnou testovací, kalibrační a měřicí technikou.

Snímače síly s nízkým profilem řady 1000, 1100 a 1200
Snímače tohoto typu se vyrábějí pro měření tlaku a tahu nebo jen pro měření tlaku (obr. 1). Vynikající je zejména jejich:

Obr. 3.

  • malá stavební výška,
  • necitlivost k bočním silám,
  • vysoká výstupní citlivost 4 mV/V,
  • vysoká linearita řádu ±0,01 % z rozsahu,
  • kompenzovaný teplotní rozsah –18 až +66 °C,
  • dlouhodobá stabilita a dlouhá životnost,
  • malé výchylky měřicí části,
  • teplotní stabilita – vliv kolísání teploty o 50 °C na nulu a citlivost je 0,04 až 0,08 %,
  • kompenzace vlivu barometrického tlaku,
  • symetrický výstupní signál.

Snímače jsou k dispozici i v metrických verzích a v provedení z korozivzdorné oceli. Technické přednosti snímačů firmy Interface vyniknou např. při porovnání s běžnými typy siloměrů jiných výrobců. Malé rozměry je předurčují pro použití ve všech aplikacích náročných na prostor. Jejich typická výška je 44,5 až 88,9 mm (13/4" až 31/2") oproti běžným 152,4 až 254 mm (6" až 10") u běžných typů siloměrů.

Vysoká necitlivost proti rušivým silám (ohyb, torze, postranní síly) umožňuje jednodušší montáž bez složitých ochranných a usměrňujících montážních přípravků, jednoduší provoz bez podpůrných mechanismů a přesnější měření, prodlužuje životnost.

Jejich výstupní citlivost je díky použitému čtyřramennému můstku a unikátní vnitřní konstrukci tělesa snímače oproti citlivosti dvouramenných můstků u běžných siloměrů přibližně 2,6krát vyšší. Při stejném srovnávacím zatížení je výstupní signál snímačů Interface oproti jiným typům vyšší nebo opačně – pro stejný výstupní signál postačí nižší zatížení.

Velká linearita snímačů se příznivě projevuje ve výsledné přesnosti měření. Linearita je zajištěna speciálním tvarem vnitřních nosníků snímače, které mají při působení síly stálý průřez. U běžných typů siloměrů se při deformaci nosníku působením síly jeho průřez mění, což způsobuje nelinearitu měření.

Dlouhodobá stabilita a dlouhá životnost jsou významným parametrem zejména pro dlouhotrvající testování únavy materiálu různých konstrukcí. V těchto aplikacích musí mít snímač stabilní parametry po mnoho miliónů testovacích cyklů. Speciální tvar vnitřních ramen snímače a konstrukce vlastních tenzometrů zajišťují namáhaní pouze měřicích částí tenzometrů, nikoli jejich kompenzačních částí a přívodů.

Malá deformace měřicí části (0,025 až 0,2 mm) ve srovnání s přibližně čtyřnásobnou deformací u běžných typů siloměrů se projevuje ve vyšší mezní pracovní frekvenci snímačů Interface.

Obr. 4.

Velká teplotní stabilita umožňuje snímače bez problémů použít především v průmyslových podmínkách, kde např. změna teploty o přibližně 40 °C způsobí chybu menší než 0,1 % z měřicího rozsahu. U běžných typů siloměrů je teplotní kompenzace realizována mimo měřicí díl, což je nepříznivé z hlediska odolnosti proti vibracím a omezuje to i možné pásmo kolísání okolní teploty na řádově jednotky stupňů Celsia. Další teplotní chyby běžných snímačů jsou způsobeny vlivem válcového krytu snímače.

Snímače Interface s dvojitou membránou jsou z principu trvale kompenzovány proti kolísání barometrického tlaku, které může v některých náročných aplikacích způsobovat přídavné chyby měření. U běžných typů siloměrů, pokud takovouto kompenzaci vůbec mají, je otevřeno krycí pouzdro do atmosféry. To má nepříznivé důsledky na stabilitu a životnost snímače.

Jejich symetrický výstup, tj. stejná výstupní odezva při tlaku i tahu, je výhodná vlastnost těchto snímačů pro určitou třídu testovacích úloh. Nesymetrie výstupního signálu se díky speciální konstrukci měřicích elementů pohybuje v mezích ±0,1 %. U běžných typů siloměrů, kde je změna profilu sloupce při tahu a tlaku různá, je nesymetrie výrazně větší. Při zvláštních opatřeních lze u běžných snímačů docílit hodnotu nesymetrie ±1,5 %, ovšem při výrazně omezené spolehlivosti.

Snímače firmy Interface se vyznačují velmi malou změnou výstupního signálu po určité době od počátku zatížení (creep). Tato veličina je menší než 0,03 % během dvaceti minut zatížení, na zvláštní objednávku lze dodat i snímače s hodnotou creepu menší než 0,02 %.

Snímače jsou standardně vybaveny buď konektorem, nebo integrovaným kabelem délky 3 m.

Pro speciální aplikace, kde je požadavek na několikanásobný měřicí signál z jednoho snímače, vyrábí firma provedení až se čtyřmi odporovými můstky. Lze je použít pro kontrolu, statistické průměrování, zálohování apod.

Firma vyrábí a dodává i speciální montážní příslušenství, jako jsou kovové základny (např. pro vážení kapalinových nádrží), zařízení pro odstranění axiálních rušivých sil (automobilové váhy), koule a sloupky pro zajištění přesného působiště sil atd.

Pro ochranu před tlakovým přetížením mohou být snímače vybaveny mechanickým dorazem, který při zatížení přibližně 125 % rozsahu snímače zabrání dalšímu mechanickému namáhání měřicích částí.

Snímače s nízkým profilem se vyrábějí ve třech základních řadách:

  • snímače s životností delší než 100 miliónů plných pracovních cyklů tlak-tah s rozsahy 2,5 až 450 kN,
  • vysoce přesné snímače s instalovanou základnou s rozsahy 5 až 900 kN,
  • snímače pro testování a průmyslové aplikace s rozsahy 5 až 900 kN.

Ceny snímačů jsou vzhledem k jejich vysoké kvalitě relativně nízké, začínají asi u 500 USD.

Obr. 5.

Miniaturní snímače síly řady MB
Tato řada snímačů (obr. 2) se vyznačuje špičkovou přesností řádu setin procent, vynikající linearitou ±0,03 % z rozsahu, vysokou opakovatelností pod ±0,01 % z rozsahu, nízkým creepem pod ±0,03 % po dvaceti minutách zátěže a nízkou citlivostí na rušivé postranní síly. Snímače jsou teplotně kompenzovány. Snesou až 1,5násobné přetížení a vyrábějí se v rozsazích 22 až 1 112 N. Jejich cena je nízká, od přibližně 160 USD.

Zakryté snímače pro venkovní použití řady SSB
Tato třída snímačů se vyznačuje odolností proti vlivům okolního prostředí (je odolná i proti korozi) a kompenzací kolísání barometrického tlaku (obr. 3). Vyrábí se v rozsahu 220 až 4 448 N. Parametry přesnosti, linearity a hystereze jsou stejné jako u předchozí skupiny snímačů. Také cena těchto snímačů je nízká: od přibližně 260 USD.

Superminiaturní snímače s vysokou přesností řady SM
Tyto snímače se vyznačují velmi velkou přesností, vynikající linearitou a opakovatelností (vše v řádu setin procent) a teplotní kompenzací (obr. 4). Snímače mají malou citlivost k rušivým bočním silám. Vyrábějí se v rozsazích 50 až 5 000 N. Lze je pořídit za nízkou cenu od přibližně 175 USD.

Zakryté superminiaturní snímače s vysokou přesností řady SSM
Snímače mají obdobné vlastnosti jako předchozí skupina, a navíc se vyznačují odolností proti vlivům okolního prostředí (jsou určeny pro venkovní použití) a kompenzací kolísání barometrického tlaku. Vyrábějí se v rozsazích 200 až 20 000 N (obr. 5). Cena je od přibližně 290 USD.

Jednobodové snímače síly řady SPI
Tyto snímače slouží zejména v aplikacích, v nichž může nastat krátkodobé silové přetížení. Vyznačují se odolností proti až čtyřnásobnému přetížení a standardně dobrými hodnotami parametrů, jako je přesnost a linearita. Opakovatelnost je v řádu setin procent. Jejich cena je od přibližně 310 USD.

Obr. 5.

Závěr
Firma Interface pracuje v oboru měření sil téměř 25 let a některé z použitých principů a tvarů měřicích dílů jsou jejími vynálezy a patentovanými řešeními. Kromě stručně zmíněných a popsaných jednotlivých řad snímačů síly dodává firma i mnoho podpůrných produktů, jako jsou různé specializované karty do osobních počítačů pro napájení snímačů a měření jejich výstupního signálu, vyhodnocovací a zobrazovací jednotky, které ve spojení s příslušným typem snímače mohou sloužit jako přesné číslicové váhy, jednoduché provozní zobrazovací jednotky s možností napájet snímače, nastavit zobrazované jednotky a zaznamenat maxima a minima síly, která se při měření vyskytla. V sortimentu firmy je i specializovaný ultrapřesný snímač síly, který může sloužit jako sekundární etalon pro kalibrační účely, nebo kompletní kalibrační systém pro kontrolu a kalibraci snímačů sil.

Snímače spolu se zmíněnými doplňkovými produkty představují ucelené řešení všech problémů v oboru přesného měření sil.

Ze stručného přehledu a popisu sortimentu firmy Interface je zřejmé, že jde o komplexní sortiment špičkové světové firmy v oboru měření síly, kde každý budoucí uživatel nalezne prostředky pro svoje specifické problémy.

Veškeré další zde neuvedené údaje a detailní popisy, jakož i katalogové listy a ceny jsou k dispozici u výlučného zástupce firmy Interface pro Českou republiku a Slovenskou republiku, tj. u společnosti:

DataCon, s. r. o.
Prvního pluku 12a
186 00 Praha 8
tel., fax a zázn.: 02/24 81 68 58

Veškeré podrobné katalogové listy jednotlivých typových řad snímačů síly jsou k dispozici ve formátech PDF na adrese www.datacon.cz pod položkou Interface nebo na adrese www.interfaceforce.com