|
Snímače zatížení a sil
Přehledový článek stručně připomíná význam snímačů zatížení a sil jako kritického prvku mnoha současných měřicích a řídicích aplikací. Konstatuje výsadní postavení kovových fóliových tenzometrů v technice přesných snímačů zatížení pro průmyslové použití. Definuje hlavní metrologické charakteristiky snímačů sil a zatížení, popisuje požadavky kladené na jejich hlavní části a uvádí konkrétní hodnoty metrologických charakteristik typické pro špičkové snímače zatížení pro průmysl. Závěrem připomíná, jaký význam by mělo zavedení vývoje a výroby této přesné techniky v její špičkové podobě pro ekonomiku ČR.
1. Úvod
Rychlý rozvoj průmyslové automatizace, dopravy, přístrojů pro vědu a výzkum a některých speciálních oborů, jako jsou lékařství, farmacie, rozličné zbraňové systémy atd., je urychlován především aplikacemi výpočetní techniky a mikroelektroniky. Omezován je často metrologickými vlastnostmi senzorů. Mezi nejpoužívanější senzory patří snímače zatížení a síly.
Snímač zatížení měří hmotnost břemene působící v jeho měřicí ose shodné se směrem působení zemské tíže. Je cejchován v jednotkách hmotnosti (gramech, kilogramech, tunách). Jen výjimečně je při využívání snímačů zatížení třeba brát v úvahu rozdílnou hodnotu gravitační konstanty v místě cejchování snímačů a v místech jejich využívání. Na území České republiky je při zachování nadmořské výšky změna gravitační konstanty zanedbatelná. Na povrchu zeměkoule se v téže nadmořské výšce mění až o 0,55 %.
Podle směrnice IR60 vrcholné organizace pro zákonnou metrologii OIML (L´Organisation Internationale de Métrologie Légale) se snímače zatížení pro statické obchodní vážení (obr. 1) dělí do tříd A, B, C a D. Aktuální jsou snímače zatížení třídy C, jejichž měřicí princip je téměř výhradně založen na aplikaci kovových tenzometrů. Snímače zatížení pro technologická vážení podléhají oborovým, popř. podnikovým normám. Už minulo období, kdy tyto normy vesměs byly méně přísné. Nikoliv výjimečně jsou dnes i náročnější než u snímačů pro statické obchodní vážení.
Snímače sil jsou cejchovány v jednotkách síly (newton, kilonewton, meganewton) nezávislých na hodnotě gravitační konstanty. Jejich užití je rozmanité. Například ve zkušebních zatěžovacích strojích při simulaci provozního dynamického zatěžování strojů, při měření pevnostních charakteristik konstrukčních materiálů apod. Hodnoty metrologických parametrů těchto strojů se řídí oborovými nebo podnikovými normami anebo, v některých případech použití, normou státní.
2. Základní konstrukční principy
Snímače zatížení i snímače sil jsou konstruovány na stejném principu. Jednotlivá provedení se liší především podle měřicího rozsahu, požadované přesnosti, frekvenčního rozsahu a přípustných rozměrů a popř. hmotnosti snímače.
Nejpočetnější je skupina snímačů zatížení určených pro statické průmyslové obchodní a přesné technologické vážení v rozsahu od jednotek kilogramů po desítky až stovky tun. V těchto snímačích jsou všemi světovými firmami v Evropě, USA i v Japonsku využívány kovové fóliové tenzometry v můstkovém zapojení.
Polovodičové tenzometry umožňují konstruovat snímače síly miniaturních rozměrů se širokým aplikačním spektrem v průmyslu, ve zdravotnictví atd. Jejich předností je, že umožňují měřit v širokém pásmu frekvencí, např. až do několika kilohertzů. Používají se také pro měření zatížení v některých technologických procesech. Polovodičovými tenzometry lze měřit síly v rozsahu od zlomků newtonu po desítky kilonewtonů se sloučenou chybou řádově 0,1 %.
Pro nejpřesnější laboratorní měření hmotnosti v rozsahu gramů až stovek gramů se nejčastěji používají snímače kapacitní nebo snímače využívající vláknovou optiku. Jiné, dříve častěji využívané principy (indukční, piezoelektrický) jsou nyní pro některé účely nahrazovány principem piezorezistentním.
3. Koncepce snímačů zatížení s kovovými tenzometry
Vektor měřeného zatížení působí na snímač v měřicí ose deformačního (měřicího) členu a vyvolává na jeho povrchu v místech pod nalepenými tenzometry zapojenými do Wheatstoneova můstku deformaci úměrnou působícímu zatížení. Příklad konstrukčního uspořádání velmi přesného snímače je na obr. 2. Při zatížení v jeho měřicí ose působí na kroužek deformačního členu ohybové napětí, které vede ke vzniku tangenciálních deformací horní části kroužku v tlaku a jeho spodní části v tahu. Deformace na obou stranách kroužku jsou měřeny čtyřmi spirálově vinutými tenzometry ve tvaru mezikruží. Deformační člen je s optimální příčnou a podélnou tuhostí spojen s pláštěm snímače umístěným na funkčně řešené podložce tak, aby poloha měřicí osy snímače byla fixována vůči vektoru měřeného zatížení (obr. 3).
Koncepce snímače zatížení je do značné míry určena velikostí vektoru zatížení působícího na snímač. Deformace může být způsobena tlakem (tahem), ohybem nebo smykem. V poslední době se konstruktéři soustřeďují zejména na takové deformační členy, u kterých je měřená deformace vyvolána smykem. To přináší mnoho výhod: malou citlivost ke změnám působiště měřeného zatížení, malou stavební výšku deformačního členu, jeho značnou tuhost a vynikající linearitu závislosti mezi působícím vektorem zatížení a měřicím signálem.
Je známo, že výklady složitých jevů v mechanické technologii a teorii pružnosti jsou zjednodušovány, takže učebnicové poznatky pro optimální konstruování deformačních členů nestačí. Špičkových výsledků je dosahováno velmi náročným dlouhodobým výzkumem v interdisciplinární oblasti. Ty jsou nezřídka potvrzovány jen empiricky, bez jednoznačného fyzikálního zdůvodnění. Přitom kategorický požadavek výrobců je, aby konstrukce snímačů byla jednoduchá a výrobní technologie dokonale reprodukovatelná.
4. Hlavní metrologické charakteristiky snímačů zatížení
Hlavní metrologické charakteristiky snímačů zatížení a sil se popisují takto definovanými chybami:
dL: chyba linearity – největší odchylka skutečného měřicího signálu od uvažovaného lineárního průběhu závislosti měřicího signálu na zatížení,
dH: chyba hystereze – největší rozdíl mezi průběhem měřicího signálu při růstu zatížení z nulové do jmenovité hodnoty a průběhem měřicího signálu při klesání zatížení z jeho jmenovité hodnoty k nule,
dR: chyba reprodukovatelnosti – největší rozdíl mezi hodnotami měřicího signálu při opakovaném působení konstantní zátěže za stejných podmínek,
dt: chyba tečení (dopružování) – změna měřicího signálu při konstantním zatížení snímače a konstantních podmínkách měření během stanoveného časového intervalu (např. 30 min) od zavedení zatížení,
dT0: chyba nulové hodnoty měřicího signálu nezatíženého snímače – v určeném rozmezí teploty zjištěná největší odchylka měřicího signálu od jeho hodnoty naměřené při referenční teplotě,
dTJ: chyba jmenovité hodnoty měřicího signálu vlivem teploty – v určeném rozmezí teploty zjištěná největší odchylka měřicího signálu snímače zatíženého jmenovitým zatížením od téhož měřicího signálu při referenční teplotě,
dS: chyba sloučená zahrnující dL, dH a dR.
Konkrétní hodnoty metrologických charakteristik, se kterými se lze setkat u špičkových snímačů zatížení, jsou uvedeny v tab. 1.
Tab. 1. Hodnoty metrologických charakteristik typické pro špičkové snímače zatížení pro použití v průmyslu
| Sloučená chyba (%) |
0,01 |
| Dopružování při zatížení za 30 min (%) |
±0,014 |
| Teplotní součinitel nulového signálu v rozmezí teploty –10 až +40 °C (%/10 K) |
±0,0058 |
| Teplotní součinitel jmenovitého signálu v rozmezí teploty –10 až +40 °C (%/10 K) |
±0,0062 |
| Maximální počet dílků v jednom rozsahu |
5000 |
5. Požadavky na hlavní části přesných snímačů zatížení
V obecné rovině mají hlavní části přesných snímačů zatížení a materiál deformačního členu takovýto vliv na metrologické vlastnosti snímačů:
tvar deformačního členu je rozhodující pro docílení lineárního převodu vektoru zatížení na povrchovou deformaci deformačního členu v místě nalepených tenzometrů a pro minimalizaci hystereze a významně ovlivňuje velikost dopružování,
materiál deformačního členu má vykazovat minimální hysterezi, minimální dopružování, minimální vnitřní pnutí po tepelném zpracování a stálost i izotropii modulu pružnosti v tahu lineárně závislého na teplotě; má mít velkou hodnotu meze kluzu a velkou dynamickou pevnost,
spojení deformačního členu s pláštěm snímače má především vyloučit vliv parazitních sil na měřicí signál,
plášt snímače fixuje polohu snímače (měřicího členu) vůči působícímu vektoru zatížení a hermeticky uzavírá prostor kolem deformačního členu, který může být vyplněn inertním plynem, výrazně zpomalujícím degradační procesy postihující měřicí obvody snímače; může také působit jako mechanická pojistka při přetížení snímače a může být konstruován pro použití i ve velmi agresivním prostředí anebo v prostředí s nebezpečím výbuchu,
tenzometry mají mít konstantní metrologické vlastnosti (neměnný ohmický odpor a činitel deformační citlivosti při konstantní teplotě a minimální prokluz) nezávislé na čase a počtu zatěžovacích a teplotních cyklů,
funkce lepidla je ideální, přenáší-li jeho tenká vrstva po celé funkční délce tenzometru trvale a věrně povrchovou deformaci deformačního členu a vytváří-li dostatečný izolační odpor mezi vývody tenzometrů a materiálem měrného členu: lepidla patří k tuhým kapalinám, neřídí se Hookeovým zákonem a jednou z jejich charakteristických vlastností je dopružování,
kompenzační prvky umístěné ve snímači zmenšují změnu měřicího a nulového signálu nezatíženého snímače vlivem teploty: kompenzace jsou převážně prováděny pasivními prvky s nelineární závislostí velikosti procházejícího proudu na teplotě.
Při aplikaci současných poznatků vědy a techniky je dosažitelná přesnost snímačů zatížení limitována jejich dopružováním. Vedle požadavků na přesnost kalibrace snímačů zatížení je kladen důraz na požadavek na jejich dlouhodobou (roky trvající) spolehlivou funkci a přesnost v mezích směrnice IR60 i při náročné exploataci celého vážního systému v režimu ještě vyhovujícím technickým podmínkám.
Se stále častějším používáním snímačů zatížení a sil (podobně jako i dalších fyzikálních i chemických veličin) v řídicích obvodech různých regulačních a automatizovaných systémů je těmto snímačům přiřazována „inteligence“. V zahraniční odborné literatuře jsou takové snímače nazývány smart sensors. Vedle hlavní funkce měření veličiny, pro kterou jsou konstruovány, obsahují mikroelektroniku nejen ke korekci vlivu teploty apod. na měřicí signál, ale např. i k vyslání varovného signálu při překročení stanovené velikosti měřené veličiny anebo přípustné teploty okolí, k plynulému nastavení počátku měřicího rozsahu apod. Uvedené a další operace mohou být realizovány s použitím softwaru řídicího počítače. V současné době se v automatizaci rozvíjí nový obor – mechatronika – a snímače zatížení, síly a i dalších veličin jsou integrovány do mechanických konstrukcí výrobků (obr. 4).
6. Závěr
V České republice jsou v provozu desetitisíce snímačů pro měření hmotnosti a sil v různých strojích či systémech převážně zahraniční výroby. Jejich potřeba nadále poroste. Zavést rozsáhlejší výrobu takových snímačů v České republice, které obstojí na světovém trhu, by byl velmi záslužný čin. Na pohled jednoduchý výrobek má rozhodně charakter high-tech. Vyžaduje nejen precizní výrobu, ale i jedinečnou experimentální techniku a teoretické zázemí. Nepochybně by stálo za úvahu obrátit k této sféře pozornost pracovníků, kteří se podílejí na podpoře našeho výzkumu a vývoje i ze státních prostředků.
Ing. Jiří Černohorský, DrSc.
|