Témata
Reklama

Snímače sil a zatížení s kovovými tenzometry

Snímače sil a zatížení s kovovými tenzometry patří mezi nejpřesnější snímače transformující mechanické síly a zatížení na elektrický signál, které pronikly do průmyslu především v oboru vážení a jako automatizační prvky v různých technologických procesech. Své nezastupitelné místo mají rovněž ve výzkumu.

Konstrukce snímačů sil a snímačů zatížení je totožná. Rozdílné je jejich cejchování. Snímače sil jsou cejchovány v N, kN a MN. Snímače zatížení jsou cejchovány v g, kgt. Je u nich zohledňována gravitační konstanta v místě cejchování a v místě jejich využívání. Zemské zrychlení se mění na povrchu zeměkoule o 0,55 %. Na území České republiky je ve stejné nadmořské výšce tato změna zanedbatelná.
Současné snímače zatížení s kovovými tenzometry jsou v porovnání se snímači zatížení využívajícími jiné principy mechanicko-elektrické transformace (piezorezistentní, kapacitní, induktivní a další) přibližně o řád přesnější při uvažovaném rozsahu zatížení 0,5 kg až 500 t a při respektování poznatků získaných výzkumem tohoto principu. Vyslovené úvahy předpokládají statické a kvazistatické zatěžování snímačů.
Reklama
Reklama
Reklama

Vlastnosti snímačů zatížení

Tenzometry jsou zpravidla fóliové v celomůstkovém zapojení, doplněném pasivními kompenzačními prvky. Jsou napájeny stejnosměrným nebo střídavým proudem. Dosahovaná přesnost je nejčastěji charakterizována sloučenou chybou, která zahrnuje vliv nelinearity, hystereze a reprodukovatelnosti. Tato chyba vztažená k UN (jmenovitému měřicímu signálu), stejně jako chyby dále uváděné, činí u nejpřesnějších snímačů 0,01 až 0,03 %. Změna měřicího signálu při konstantním zatížení a neměnných okolních podmínkách (tečení) je u nejkvalitnějších snímačů 0,01 % UN za 30 min. Jen zřídka je však tento parametr uváděn výrobcem. Únavová životnost snímačů zatěžovaných v rozsahu jmenovitého měřicího rozsahu je udávána větší než 106 cyklu. Zahrnuje období platnosti metrologických charakteristik snímače.
Pro řadu aplikací je důležitý přípustný rozsah teplot, při kterém zůstávají v platnosti metrologická data uváděná výrobcem a nedochází k jejich nevratným změnám. V uváděném teplotním rozsahu měření např. -20 °C až +40 °C je teplotní koeficient posuvu nulové hodnoty a jmenovitého měřicího signálu jen několik tisícin UN/10 °C. Snímače zatížení ve speciálním provedení mohou měřit např. v rozsahu teplot -20 °C až +220 °C se zhoršenou přesností.

Problémy při vývoji přesných snímačů zatížení

U současných přesných snímačů zatížení od špičkových výrobců není nikterak neobvyklá sloučená chyba 0,02 % nebo chyba ještě menší. K dosažení takové přesnosti musí však konstruktér brát v úvahu řadu efektů druhého a třetího řádu, které by se u konvenční mechanické konstrukce zanedbaly.
Metrologické vlastnosti snímačů zatížení jsou ovlivňovány deformačním členem, tenzometry a jejich spojením s deformačním členem. K ověřování metrologických charakteristik snímačů zatížení vykazujících sloučenou chybu 0,01 % UN až 0,03 % UN je třeba disponovat mimořádně přesným cejchovacím zařízením, jehož funkce je využívána v prostoru s přesně definovanou a nastavitelnou teplotou. Jen tak je možné v konkrétním případě zkoumat analyticky a experimentálně vlivy efektů vyšších řádů a docílit optimálních metrologických parametrů. Např. u sloupkových deformačních členů často používaných ve snímačích zatížení je inherentní nelinearita při zatěžování připisována změně jejich průřezu. V důsledku tohoto efektu plynule roste tuhost deformačního členu při zatěžování v tlaku a klesá při zatěžování v tahu. Zůstává při těchto změnách hustoty materiálu deformačního členu modul pružnosti konstantní, nebo se mění? Z výsledků více měření vyplývá, že při stlačení modul pružnosti mírně vzrůstá a při tahu mírně klesá. Tyto změny modulu pružnosti jsou příliš malé a nejsou uváděny v běžných testech vlastností materiálu. Jsou však významné, jde-li o úrovně přesnosti dosahované u moderních snímačů s tenzometry. Z mnoha naměřených dat a teoretických výpočtů vyplývá existence dalších málo známých jevů. Jsou zjišťovány empiricky, často pro ně chybí prokazatelné fyzikální zdůvodnění. Jen tak lze vysvětlit neshody výsledků teoretických prací a jejich experimentálního ověřování.

Zvyšování přesnosti snímačů

Odporový tenzometr je integrální prvek poskytující údaj o velikosti deformace pod plochou celé měřicí mřížky tenzometru. Musíme proto dbát, aby pod tenzometrem v důsledku efektů vyšších řádů nevznikaly nežádoucí deformace, např. vlivem spojování smykových a ohybových deformací.
Ke zvyšování přesnosti snímačů zatížení patří snížení "tečení", kterým je nazývána změna výstupního signálu při konstantním zatížení a konstantních okolních podmínkách. Chyby vznikají ze dvou hlavních příčin:
  • pozvolného tečení a přetváření materiálu deformačního členu;
  • tečení a stárnutí tenzometrů a lepidla.
  • Probíhající děje jsou velmi složité a kvantitativně velmi obtížně popsatelné. Nesporné však je, že se daří vhodnou konstrukcí deformačního členu, použitím vhodných tenzometrů a lepidla přibližně vzájemně kompenzovat negativní vlivy vzniklé působením těchto efektů vyšších řádů.

    Přesný snímač zatížení s kruhovým deformačním členem

    Snímač zatížení typu RTN s kruhovým deformačním členem, vyvinutý a vyráběný firmou Schenck ve větší než stotisícové sérii, představuje originální netradiční konstrukční řešení, které splnilo požadavky na vysokou a dlouhodobou přesnost a sériovou výrobu bez problematických vývojových a výrobních etap, ve kterých se složitě a s časovou náročností nastavují metrologické charakteristiky snímačů zatížení.
    Snímače zatížení typu RTN jsou vyráběny v rozsahu jmenovitých zatížení od 1 do 470 t. Jejich konstrukční řešení je patrné z obrázku. Při zatížení snímače v jeho měřicí ose působí na kroužek deformačního členu ohybové napětí, které vede ke vzniku tangenciálních napětí a tedy i tangenciálních deformací na horní měřicí části kroužku v tlaku (střední průměr tohoto kroužku se zkracuje) a na spodní měřicí části kroužku v tahu (střední průměr tohoto kroužku se prodlužuje). Tangenciální deformace na obou měřicích plochách kroužků jsou měřeny čtyřmi spirálově vinutými tenzometry ve tvaru mezikruží zapojenými do úplného a ve všech ramenech aktivního Wheatstoneova můstku.
    Velkou předností uvedených snímačů jsou vynikající metrologická data včetně nízké hodnoty dopružování (tečení). Snímače typu RTN jsou vyráběny v sedmi třídách přesnosti (viz tabulka). Z produkce těchto snímačů jsou vybírány ty nejpřesnější, vyhovující normě EN 10002 -3, třídě 00, pro využití např. jako normály v cejchovních zařízeních pro snímače sil, pro měření v aerodynamických tunelech atd. Tyto snímače nejsou v tabulce uvedeny.

    Snímače jako vhodný námět pro vývoj a výrobu

    Snímače sil, zatížení a dalších mechanických veličin jsou důležitými prvky automatizačních obvodů. Vzhledem k trvalému rozvoji automatizace není pochyb, že se potřeba snímačů mechanických veličin bude soustavně zvětšovat. Firmy zaměřené na vývoj a výrobu této techniky jsou dlouhodobě na vzestupu. Jde o obor, který má v České republice tradici. Jeho rozvoj by si zasloužil podporu státu a pozornost vysokých škol technického zaměření.
    Jiří Černohorský
    Reklama
    Vydání #10
    Kód článku: 41005
    Datum: 13. 10. 2004
    Rubrika: Inovace / Měření
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Kontrola rotačních součástek v sériové výrobě

    Hřídelové a kotoučové součástky patří k nejrozšířenějším ve strojírenství. S nástupem elektromobility jejich podíl zřejmě ještě poroste. Sériová výroba běžně pracuje v sekundovém taktu, a stejně tak rychlá musí být nově i kontrolní technika. Stoprocentní kontrola se již stává samozřejmostí.

    Měření v rámci celého výrobního řetězce

    Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

    Přesné měření libovolného materiálu nebo povrchu

    Společnost Keyence uvedla na trh řadu konfokálních snímačů polohy CL-3000 pro vysoce přesné měření na jakémkoliv materiálu nebo povrchu. Tyto vysoce kompaktní koaxiální laserové snímače polohy pomáhají s takovými úkoly, jako je zlepšování kvality, prevence dodávek nevyhovujících dílů a zvyšování objemu výroby.

    Související články
    Plováčkové průtokoměry na olej

    Výrobou přístrojů pro polní instrumentaci se dlouhodobě a úspěšně zabývá celosvětově působící společnost Kobold Messring. Do jejího hlavního programu patří průtokoměry, teploměry, hladinoměry a tlakoměry.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

    Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

    Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

    Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

    Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

    Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

    Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

    Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

    Jak dokonale měřit průtok

    Pro měření průtoků v průmyslových závodech nebo pro testování složení protékající tekutiny dnes existuje řada snímačů průtoku a průtokoměrů, které lze použít v nejrůznějších pracovních prostředích. Mnohé z nich pocházejí z dílny společnosti Kobold Messring GmbH.

    Konfirmace měřidel

    Příspěvek se zabývá problematikou zajištění návaznosti měření a rozebírá obvyklé metrologické čin-nosti, které jsou za tím účelem prováděny. Zákon o metrologii i běžná praxe zmiňují jako základní postupy kalibraci nebo ověření stanovených měřidel. Kalibrace je postup vedoucí k dosažení způsobilého měřidla ve dvou logických krocích podle definice VIM. Vždy musí být zjištěn aktuální stav měřidla – provádí se zkouškou, která ověří, zda je měřidlo způsobilé plnit dané specifikace, či nikoliv. Nezpůsobilé měřidlo se musí kalibrovat nebo vyřadit. O výsledku je vydán doklad (kalibrační certifikát), jímž je potvrzena způsobilost z dřívější kalibrace nebo způsobilost dosažená kalibrací novou. Zvláštní pozornost je věnována kalibraci měřidel řízených softwarem, např. u souřadnicových měřicích strojů.

    Střípky ze svátku metrologie

    Ještě před letošním svátkem metrologů, jenž se slaví 20. května, se konala tradiční metrologická událost světového rozsahu – veletrh Control v německém Stuttgartu.

    Optický CMM skener

    Firma Creaform letos v dubnu představila nový model 3D skeneru MetraScan 3D, který díky svým inovacím a parametrům nastavuje nový standard v oblasti metrologie a laserového 3D skenování.

    Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

    Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

    Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

    Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit