6.1.1. Использование тензодатчиков

для измерения механических величин

Особое место занимают способы взвешивания с применением в качестве силоизмерителя тензорезисторных и вибростержневых преобразователей. Применение этих преобразователей позволяет повысить точность измерения, снизить металлоемкость весов, сократить время взвешивания. Получение выходных электрических сигналов предопределяет автоматизацию процесса взвешивания, позволяет ввести этот процесс в автоматизированную систему управления [21].

Тензометрический измерительный преобразователь – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал. Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д. Хвольсоном.

В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:

• исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;

• применение тензодатчиков для измерения механических величин (действие силы, веса), преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Во втором случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5-0,05%. Наиболее ярким примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками оснащены весы большинства российских и зарубежных производителей весов. Весы на тензодатчиках применяются в различных отраслях промышленности: цветная и черная металлургии, химическая, строительная, пищевая и другие отрасли.

Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.

Рассмотрим подробнее данную область использования тензометрических измерительных преобразователей.

Силоизмерительные датчики предназначены для преобразования усилий в электрический сигнал и применяются как комплектующее изделие в весах, весодозирующих и силоизмерительных устройствах.

При выборе датчиков для измерения веса нужно учитывать следующие параметры и характеристики:

1. Погрешность измерения, чувствительность;

2. Диапазон измерения;

3. Величину выходного сопротивления (большинство весовых терминалов способны работать с датчиками имеющими выходное сопротивление 350 Ом, это позволяет параллельно подключать к терминалу от четырех до восьми датчиков);

4. Область применения. В зависимости от области применения датчики могут обладать различными точностными характеристиками;

5. Диапазон рабочих температур и условия эксплуатации;

6. Способы компенсации температурной погрешности тензодатчиков (изменение температуры окружающей среды).

Датчики массы можно классифицировать следующим образом:

1. датчики для торговых весов и почтовых весов;

2. датчики для пищевой и химической промышленности;

3. датчики для лабораторных весов;

4. низкопрофильные датчики для напольных и платформенных весов;

5. датчики для работы с несимметричными нагрузками;

6. высокоточные датчики;

7. датчики для автомобильных весов.

Все виды датчиков изготавливаются в пыле- влагозащищенном исполнении (IP60, IP65, IP66, IP68) в зависимости от области применения (фирма «SCAIME», Франция).

В зависимости от того, где находится центр тяжести (ниже или выше места крепления датчика) используют или S-образные датчики или датчики сжатия. Датчики веса можно подразделить на датчики консольного типа и датчики сжатия/растяжения.

Таким образом, схема измерения усилий представляет собой последовательность: датчик усилий, программируемый измерительный преобразователь и контролирующий прибор (контроллер).

Консольные тензодатчики представляют из себя консольную балку, а их принцип действия основан на преобразовании механической деформации сдвига в пропорциональный электрический сигнал. Применяются как измерительные элементы в платформенных весах (рис. 6.5-6.6).

Рис. 6.5. Консольный тензодатчик

Рис. 6.6. Схематическое изображение возможных

вариантов установки тензодатчика и воздействия

на него нагрузки

В таблице 6.5 представлены характеристики и область применения датчиков консольного типа [22].

Таблица 6.5.

Технические характеристики	Датчики консольного типа
	AR	BE/BEF	AQ	AL
Предел измере-ния (RC)	200,600, 1200 г	1;3;5; 10кг/3;5 кг	5;10;15;20; 30;35 кг	3;5;7;10;10;15;20;30 кг
Суммарная пог-решность, % RC	0.02	0.1	0.017	0.017
Класс точности*	-	-	3000	3000
Напряжение питания, В номинальное максимальное	- 12	5 10	10 15	10 15
Входное сопро-тивление, Ом	41015	83280	41020	41020
Выходное сопро-тивление, Ом	3505	80080	3505	3505
Диапазон рабочих температур, С	-10…+40	-20…+60	-20…+60	-20…+60
Предельно допустимая перегрузка, % RC	200	200	200	200
Степень защиты**	IP60	IP60	IP65	IP65
Материал	алюминий	алюминий	алюминий	алюминий
Максимальный размер платформы, мм	150х150 (для 200 г – 120х120)	150х150 (для BE – 100х100)	350х350	300х350 (для 3 кг – 200х240)
Особенности	Для юве-лирных и лаборатор-ных весов	Для серий-ных и не-дорогих изделий	Для почто-вых и тор-говых ве-сов	Для почто-вых и тор-говых ве-сов

*– число поверочных интервалов, n max;

** – степень защиты по EN 60529 (ГОСТ 14254-96)

продолжение таблицы 6.5.

Технические характеристики	Датчики консольного типа
	AK	AG	AH	AP
Предел измерения (RC)	6;12;30; 60;120; 300 кг	1;2.5;5;10;15;20;30;50;75;100 кг	30;50; 100;200 кг	75;100;150;200;250;300;500; 635 кг
Суммарная пог-решность, % RC	0.017	0.017	0.017	0.017
Класс точности*	3000	3000	3000	3000
Напряжение питания, В номинальное максимальное	10 15	10 15	10 15	10 15
Входное сопро-тивление, Ом	38520	45015	41020	41020
Выходное сопро-тивление, Ом	3505	3505	3505	3505
Диапазон рабочих температур, С	-20…+60	-20…+60	-20…+60	-20…+60
Предельно допустимая перегрузка, % RC	200	200	200	200
Степень защиты**	IP68	IP65	IP65	IP65
Материал	нерж.ст.	алюминий	алюминий	алюминий
Максимальный размер платформы, мм	350х350; 420х420; 600х600	400х400	500х500	700х700
Особенности	для пищевой и хим. пром.	Универ-сальный тип. Высо-кая точ-ность.	Дополняет серию AG в сторону больших нагрузок	работа со значительны-ми несиммет-ричными наг-рузками

продолжение таблицы 6.5

Технические характеристики	Датчики консольного типа
	SK30X	SB30X		F60X
Предел измерения (RC)	300;500; 1000; 2000 кг	500;750; 1200; 2000 кг		5;10;20;50;100;200;300;500 кг	0.5;1;2;5 т
Суммарная пог-решность, % RC	0.017	0.017		0.017;0.008	0.017; 0.013
Класс точности*	3000	3000		3000,6000	3000
Напряжение питания, В номинальное максимальное	- 15	10 15		10 15	10 15
Входное сопро-тивление, Ом	38520	38020		38520
Выходное сопро-тивление, Ом	3505	3505		3505
Диапазон рабочих температур, С	-20…+60	-20…+60		-20…+60
Предельно допустимая перегрузка, % RC	200	200		200
Степень защиты**	IP68	IP65		IP68
Материал	нерж.ст.	нерж. сталь		нерж. сталь
Максимальный размер платформы, мм	–
Особенности	Низкопрофильный. Для всех типов платфор-мы		Для низко-профильных напольных весов	При совместном использовании со STAICAN идеально подходит для дозирующих систем

Датчики сжатия/растяжения. Их принцип действия основан на преобразовании механической силы вдоль оси симметрии датчика в пропорциональный электрический сигнал (рис. 6.7-6.10).

Рис. 6.7. Датчик сжатия/растяжения

Рис. 6.8. Схематическое изображение возможных

вариантов установки датчика сжатия/растяжения

и воздействия на него нагрузки

Рис. 6.9. S – образный датчик силы растяжения и сжатия

Рис. 6.10. Схематическое изображение возможных

вариантов установки S – образного датчика

сжатия/растяжения и воздействия на него нагрузки

В таблице 6.6 представлены характеристики датчиков сжатия/растяжения [22].

Технические характеристики	Датчики сжатия/растяжения			Датчики сжатия
	ZF	SD25X		CA40X		R10X
Предел измерения (RC)	25;50;100; 200;500 кг, 1;2;5 т	0.5;1;2; 4;6 т		5;10; 20;40;60 т	100; 200 т	2.5;5; 10;15;30 т
Суммарная пог-решность, % RC	0.05	0.02		0.017	0.024	0.05
Класс точности*	1000	2500		3000		1000
Напряжение питания, Номинальное максимальное	10 15	10 15		10 15	10 15	10 15
Входное сопро-тивление, Ом	40025	110050		82050		70010
Выходное сопро-тивление, Ом	3855	100010		7005		7003
Диапазон рабочих температур, С	-20…+60	-20…+60		-20…+60		-20…+70
Предельно допустимая перегрузка, % RC	150	200		200		300
Степень защиты**	IP65	IP65		IP68		IP68
Материал	Сталь с никелевым покрытием	нерж. сталь
Максимальный размер платфор-мы, мм	–
Особенности	Работа на сжатие и растяжение.	Для меха-нических платформенных весов	Для автомобильных весов			Для силосов, цис-терн, резервуаров

Таблица 6.6.

Программируемый измерительный преобразователь

с цифровой индикацией PAX S

• Для промышленных весоизмерительных систем;

• Подключение до 4 параллельно соединенных датчиков (350 Ом);

• Четырехпроводная схема подключения;

• Погрешность измерения 0.02%;

• Скорость измерения до 20 отсчетов/с

• Светодиодный 5-разрядный индикатор с высотой знака 14 мм;

• Модули расширения: дискретные (выходные реле или транзисторы); аналоговые 0-10В или 4-20mA; интерфейсные (RS-232, RS-485, ModBus RTU, PROFIBUS-DR или DeviceNet);

• Габаритные размеры 96.5х49.5х106.6мм;

• Степень защиты по передней панели IP65;

• Диапазон рабочих температур от 0 до +45С

Производитель: Фирма «SCAIME»

Программируемый весовой терминал IPC 50

• Для промышленных весоизмерительных систем;

• Подключение до 8 параллельно соединенных датчиков (350 Ом);

• 4-х и 6-проводная схема подключения;

• Класс точности 3000d по OIML R76;

• Скорость измерения до 50 отсчетов/с;

• 6-разрядный ЖК-индикатор с высотой знака 25 мм;

• Интерфейс RS-232 для программирования и калибровки;

• Интерфейс RS-232 для подключения принтера;

• Модули расширения: дискретный (ввод/вывод), интерфейсный RS-485, хранения измерительных данных;

• Исполнение в настольном корпусе;

• Степень защиты IP65;

• Диапазон рабочих температур от –10 до +40С

Производитель: Фирма «SCAIME»

Программируемый измерительный преобразователь

с цифровой индикацией IPB 50

• Для торговых весоизмерительных систем;

• Подключение до 6 параллельно соединенных датчиков (350 Ом);

• 4-х и 6-проводная схема подключения;

• Класс точности 3000d по OIML R76;

• Скорость измерения до 50 отсчетов/с;

• Светодиодный 6-разрядный индикатор с высотой знака 15 мм;

• Интерфейс RS-232 или RS-485 для программирования и калибровки;

• Интерфейс RS-232 для подключения принтера;

• Два параметрируемых релейных выхода;

• Аналоговый выход 0-10В и 0/4-20mA (опция);

• Габаритные размеры 96х96х80 мм;

• Степень защиты IP65;

• Диапазон рабочих температур от –10 до +40С

Производитель: Фирма «SCAIME»

Программируемый измерительный преобразователь

с цифровой индикацией IPA 2000

• Для высокоскоростных весоизмерительных систем;

• Подключение до 4 параллельно соединенных датчиков (350 Ом);

• Погрешность измерения 0.05%;

• Скорость измерения до 2000 отсчетов/с;

• Светодиодный 4-разрядный индикатор;

• Аналоговый выход 10В и 4-20mA;

• Последовательный интерфейс RS-232;

• Два параметрируемых релейных выхода;

• Дистанционное управление функциями через дискретные входы или интерфейс RS-232;

• Габаритные размеры 96х96х155 мм;

• Степень защиты IP65;

• Диапазон рабочих температур от –5 до +40С

Производитель: Фирма «SCAIME»