Czujnik wagowy, moduł wagowy, tensometr wagowy

Jak działa czujnik wagowy?
Działanie technologii czujników wagowych polega na zamianie obciążenia (które jest siłą przyłożoną do dowolnej masy w ziemskim polu grawitacyjnym) na sygnał elektryczny. W większości czujników wagowych znajdują się tak zwane czujniki tensometryczne, które pod wpływem odkształceń mechanicznych zmieniają swoją rezystancję. Więcej na temat czujników tensometrycznych można znaleźć poniżej. Masa w polu grawitacyjnym powoduje obciążenie i naprężenia w korpusie czujnika wagowego, prowadząc do jego odkształcenia. Odkształcenie powoduje zmianę rezystancji i ostatecznie powstanie napięcia elektrycznego. Wartość napięcia jest proporcjonalna do przyłożonej masy.

Co to jest czujnik wagowy?
Czujnik do wagi, inaczej czujnik wagowy, jest używany w wielu różnych branżach, w których wymaga się precyzyjnego pomiaru. Czujnik wagowy umożliwia dokładny pomiar masy zbiorników, naczyń technologicznych, koszy lub przenośników.Technologia czujników wagowych została opracowana pod kątem odporności na trudne warunki pracy w wielu różnych zastosowaniach przemysłowych. Nośność czujników wagowych jest bardzo zróżnicowana. Niektóre czujniki wagowe są odpowiednie do zastosowań laboratoryjnych, podczas gdy inne bardziej nadają się do produktów przetwarzanych w dużych partiach lub zastosowań logistycznych.

Czujniki wagowe są zgodne ze wszystkimi wymaganymi certyfikatami globalnymi oraz normami. W ofercie znajdują się jednostronne belki wagowe, które umożliwiają przekształcenie wykorzystywanej konstrukcji w wagę. Belki wagowe znajdują zastosowanie w wagach podłogowych, wagach taśmowych, systemach wagowych, wagach paletowych, wagach kontrolnych i wagach przenośnikowych. Kolumnowe/pierścieniowe czujniki wagowe również charakteryzują się dużą odpornością na trudne warunki pracy. Są one najczęściej używane w wagach zbiornikowych, silosowych i samochodowych.

Co to jest moduł wagowy?
Na moduł wagowy składają się czujniki wagowe oraz stalowy osprzęt. Moduły wagowe są zoptymalizowane pod kątem użycia w systemach wag zbiornikowych i przenośnikowych. Moduły wagowe są także wyposażone w funkcje zabezpieczeń, które umożliwiają ich działanie przy silnym wietrze i wstrząsach sejsmicznych. Czujniki wagowe są integrowane fabrycznie, więc można założyć, że zapewniają najlepszą dokładność i czas podnoszenia.    

Do czego służą czujniki wagowe?
Czujniki wagowe umożliwiają pomiar masy obiektów i mogą mieć różną nośność, na przykład 50 kg, 50 ton lub inną. Zakres ważenia rozciąga się od mikrogramów w przypadku mikroczujników po setki ton w przypadku czujników wagowych o dużej nośności. Pomiary niewielkich mas są typowe dla zastosowań farmaceutycznych, gdzie ułamek grama może odgrywać krytyczną rolę. Czujniki wagowe średniej wielkości zazwyczaj znajdują zastosowanie w przetwórstwie i handlu. Czujników o dużej nośności używa się w zastosowaniach magazynowych

Jaka jest dokładność czujników wagowych?
Dokładność czujnika bywa często mylona z jego rozdzielczością. Rozdzielczość wskazuje, ile cyfr będzie zawierać wynik pomiaru, ale dłuższy wynik nie oznacza automatycznie większej dokładności. Dokładność jest miarą wierności wyników (oblicza się dokładność czujnika wagowego i nośność czujnika wagowego). Nie bez przyczyny w wagach legalizowanych zmniejsza się rozdzielczość – w ten sposób można uniknąć ryzyka związanego z interpretowaniem wyników ważenia. Najlepszym punktem odniesienia przy ocenie dokładności wagi są zatem świadectwa legalizacji. Większość czujników tensometrycznych oferuje dokładność od 1/3,000d do 1/10,000d (jest ona podawana w specyfikacji czujnika wagowego). Czujniki wagowe wykorzystujące kompensację siły mogą osiągać dokładność 1/200 000 lub większą. W idealnych warunkach, a więc przy stałej temperaturze i wilgotności, dokładność czujników może być 5–10 razy wyższa.
Obliczenie ostatecznej dokładności systemu zawierającego czujnik wagowy jest jednak dość skomplikowane. Wymagane jest uwzględnienie wpływu szeregu czynników, w tym temperatury, czasu, rozdzielczości itp. Poradę w tym zakresie najlepiej uzyskać u producentów czujników wagowych. W profesjonalnym obliczeniu tych parametrów pomaga Narzędzie wyboru podzespołów wagowych.

Co to jest wzorcowanie czujnika wagowego?
Wzorcowanie to proces umożliwiający ocenę dokładności czujnika wagowego. Dzięki temu mamy pewność, że wyniki ważenia będą się mieścić w określonych tolerancjach. Czujniki wagowe muszą być wzorcowane w miejscu, w którym będą  używane. Przyczyną tego są możliwe lokalne zmiany przyciągania ziemskiego. Bez wzorcowania czujnik wagowy wytworzony w miejscu A i używany w miejscu B zwróci błędne wyniki. Kolejnym powodem, dla którego wzorcowanie przeprowadza się w miejscu używania czujnika, jest to, że – podobnie jak każde inne urządzenie – stopniowo się on zużywa. Wagi należy wzorcować co rok lub co 2 lata, zależnie od tego, jak duże znaczenie w danym przypadku ma dokładność pomiaru. 

Wydajną metodą wzorcowania dużych wag zbiornikowych jest RapidCal.

Co to jest sygnał wyjściowy czujnika wagowego?
Większość czujników wagowych ma wyjście analogowe, na którym podaje napięcie 2–3 mV/V. Czujniki wagowe są urządzeniami pasywnymi, dlatego do ich wzbudzenia potrzebne jest zewnętrzne źródło energii. Poziom sygnału wyjściowego zależy od względnego napięcia oraz prądu wzbudzenia. Bardzo ważne jest więc zapewnienie stabilnego źródła wzbudzenia, które pozwoli wyeliminować wpływ źródła zasilania. Czujnik wagowy 2 mV/V przy pełnym obciążeniu i zasilaniu prądem o napięciu 10 V dostarcza na wyjściu sygnał o napięciu zaledwie 20 mV. Nowoczesne terminale (urządzenia odczytujące) zapewniają stabilne zasilanie oraz odpowiednie wzmocnienie sygnału, które pozwala przekształcić wyniki na postać cyfrową. Jakość sygnału jest w dużym stopniu zależna od prawidłowego wykonania okablowania czujnika wagowego.

Ile jest typów czujników wagowych?
Czujniki wagowe dzieli się na podstawie ich formy zewnętrznej. Jednopunktowe czujniki wagowe znajdują zastosowanie w systemach małej i średniej wielkości. Belek wagowych używa się w wagach podłogowych oraz wagach zbiornikowych średniej wielkości. Kolumnowe czujniki wagowe znajdują zastosowanie przy ważeniu ciężkich ładunków. Czujniki wagowe można dzielić również według rodzaju sygnału wyjściowego. Czujniki wagowe muszą współpracować z zewnętrznym terminalem, który wzmacnia sygnał i przekształca go na postać cyfrową. Czujniki wagowe mają z kolei wbudowane inteligentne rozwiązania, które zapewniają większą dokładność, znacznie bardziej niezawodne przesyłanie danych oraz możliwość monitorowania stanu czujnika, co ułatwia jego konserwację. Każdy typ czujnika wagowego jest oferowany w innej cenie, która zależy od wymaganego poziomu wydajności.

Zaczynasz pracę z czujnikami wagowymi?
Przy obliczaniu nośności czujników wagowych należy uwzględnić, że mierzą one zarówno obciążenie statyczne, jak i obciążenie netto wagi. Znaczenie ma również umiejscowienie ważonych towarów na wadze. Korzystanie z czujników wagowych, które są większe niż wymagałoby tego zastosowanie, nie jest zalecane, ponieważ zmniejsza dokładność. Wzór dla wag, na których waży się głównie obciążenia umieszczone centralnie (a więc większości wag zbiornikowych różnego typu, silosów i naczyń technologicznych), jest następujący:
C >= sf*(TDL+SC)/N (np. wagi zbiornikowe)

W przypadku wag z czterema czujnikami wagowymi, na których często waży się obciążenia umieszczone niecentrycznie (czyli wag podłogowych, przenośnikowych i małych wag samochodowych), wzór jest następujący:
C >= sf*(TDL/4 + SC/2)  (np. wagi podłogowe, przenośnikowe i małe wagi samochodowe)

C = LC lub nośność modułu wagowego
TDL = całkowite obciążenie statyczne
SC = nośność wagi
sf = współczynnik bezpieczeństwa (zazwyczaj 1,25)
N = liczba czujników wagowych lub modułów wagowych

W przypadku bardziej skomplikowanych systemów należy zasięgnąć porady profesjonalisty.

Więcej dokładnych informacji można znaleźć w podręczniku z zakresu systemu modułów wagowych, który porusza tematy inżynierskie.

Porady i wskazówki z zakresu eksploatacji czujników wagowych
Problemem często spotykanym w przypadku czujników wagowych jest nieprawidłowy wybór ochrony. Czujniki wagowe są bardzo czułe na wilgoć i regularne zmywanie. Mimo deklarowanego wysokiego stopnia ochrony IP nie są odporne na gorące i wilgotne warunki. W przypadku systemów narażonych na wysoką wilgotność i nagłe zmiany temperatury (zimne środowisko, zmywanie gorącą wodą) zaleca się wybór hermetycznie zamkniętych czujników wagowych ze stali nierdzewnej. Jak widać, przy zakupie czujników wagowych należy uwzględnić różne czynniki.

Częstym błędem jest niedoszacowanie kosztów wzorcowania systemów czujników wagowych. Jeśli system zapewnienia jakości wymaga regularnego wzorcowania systemów wagowych, warto zasięgnąć porady jednego z największych producentów czujników wagowych na świecie, który pomoże wybrać najbardziej efektywną metodę wzorcowania. Metoda zgodna z normą ISO9001 wymaga zastosowania niezależnych urządzeń do wzorcowania, które będą mieć oparcie w międzynarodowych standardach. Nie wolno zakładać, że wywzorcowanie systemu czujnika wagowego nie ulega zmianom i procedury wzorcowania nie muszą być ponawiane.  W przypadku większych zbiorników efektywną metodą wzorcowania może być RapidCal.

Często nie docenia się wpływu instalacji lub inaczej okablowania czujnika wagowego na dokładność wagi. Sygnał czujnika wagowego ma bardzo niskie napięcie i jest podatny na zakłócenia, dlatego zawsze zaleca się użycie przewodów ekranowanych. Rezystancja miedzi zmienia się zależnie od temperatury, dlatego przewody powinny być jak najkrótsze, aby ich rezystancja była możliwie niska.

Byłoby idealnie, gdyby czujnik wagowy mierzył masę, ale w rzeczywistości mierzy on siłę. W efekcie każda przypadkowa, skierowana pionowo siła, która pojawi się w systemie czujnika wagowego, ma bezpośredni wpływ na dokładność. Zazwyczaj dotyczy to sił wywieranych przez rury łączące naczynia procesowe, opierania się o podłoże w wyniku nagromadzenia odpadów, dotyku przewodów w przypadku czujników wagowych mikro i systemów o małej nośności, skierowanych pionowo drgań itp. Skontaktuj się z ekspertem, aby uniknąć tego rodzaju problemów w swoim systemie.

Prędkość działania systemu czujnika wagowego ma często kluczowe znaczenie. Im większa częstotliwość próbkowania, tym dokładniejszy jest proces napełniania. Dotyczy to także systemów porcjowania, w których powtarzalność receptury jest tym większa, im szybciej działa system czujnika wagowego. Prędkość nie kosztuje wiele, ale może zrobić ogromną różnicę.

Integracja czujników wagowych bardzo często bywa kłopotliwa i wymaga wiedzy inżynierskiej. Moduły wagowe cechują się wyższym poziomem integracji i zapewniają czujnikom wagowym idealne warunki obciążania oraz bezpieczeństwo działania. Zapoznaj się z dokładnymi informacjami na temat wyboru modułów wagowych.  

Jak działa tensometr wagowy?
Ten krótki samouczek pozwala zapoznać się ze sposobem działania tensometrów. Tensometr wagowy opiera się na zasadzie fizycznej, zgodnie z którą rozciągnięty przewód zwiększa swoją rezystancję, a przewód ściśnięty zmniejsza ją. Tensometr wagowy zamontowany na korpusie czujnika pod wpływem nacisku odkształca się wraz z nim, więc jego rezystancja zmienia się. Zmiana rezystancji jest proporcjonalna do wielkości odkształcenia. Zmiana rezystancji jest bardzo niewielka i zazwyczaj nie przekracza 1 Ω. Tak niewielką zmianę trudno zmierzyć z dużej odległości. Do przekształcenia zmiany rezystancji w zmianę napięcia służy mostek Wheatstone'a. Do uzyskania zmiany napięcia o odpowiedniej wielkości potrzebne są zazwyczaj cztery tensometry. Przekazywanie napięcia na dalsze odległości jest znacznie łatwiejsze i jest powszechnym rozwiązaniem.

Czym różni się czujnik wagowy od czujnika tensometrycznego?
Czujnik tensometryczny to jeden z podzespołów czujnika wagowego. Czujniki wagowe są elementami sprężystymi, które zamieniają obciążenie na naprężenie. Naprężenie jest przejmowane przez czujnik tensometryczny, którego rezystancja jest zamieniana na napięcie, mierzona, a następnie podawana jako wynik ważenia. 

Co to jest napięcie wzbudzenia czujnika wagowego?
Czujniki wagowe i przewody czujników wagowych są urządzeniami pasywnymi, które do wzbudzenia wymagają zewnętrznego źródła energii. Napięcie wzbudzenia może się zmieniać zależnie od wartości prądu, co powoduje błędy. Kluczowe jest więc zapewnienie stabilnego źródła wzbudzenia, które wyeliminuje błędy powodowane przez źródło zasilania. Nowoczesne terminale zapewniają stabilne zasilanie oraz odpowiednie wzmocnienie słabego sygnału wyjściowego, co pozwala przekształcić wyniki na postać cyfrową.

Co to jest hydrauliczny czujnik wagowy?
Działanie hydraulicznego czujnika wagowego opiera się na zmianach ciśnienia cieczy zamkniętej w jego wnętrzu. Pomiaru ciśnienia dokonuje odpowiedni przetwornik. Hydrauliczne czujniki wagowe mają niewielką dokładność i obecnie są rzadko używane. Dawniej, gdy czujniki elektroniczne były jeszcze niezbyt niedokładne, ceniono ich niezawodność.

Czy czujniki wagowe działają liniowo?
Typowy czujnik wagowy zapewnia liniowość rzędu 0,03% lub nawet znacznie lepszą. Standardowo wagi wzorcuje się dziś tylko w punkcie zerowym i przy maksymalnym obciążeniu, wskazując na liniową charakterystykę w całym tym zakresie.

Czy 1 lub 2 czujniki wagowe to liczba wystarczająca dla wagi zbiornikowej na 3 lub 4 nogach?
Użycie czujników wagowych w liczbie mniejszej niż liczba nóg zbiornika jest możliwe w systemach kontroli poziomu cieczy. Warunkiem jest zapewnienie, by przy obciążaniu środek ciężkości systemu nie ulegał przesunięciu w poziomie. Dokładność takich systemów może być wątpliwa. Nie należy ich używać do surowców sypkich.

Czy elektronika czujników PT1000 i PT100 będzie działać z analogowymi czujnikami wagowymi?
Analogowe czujniki wagowe są wyposażone w interfejs mV/V inny niż w pasywnych czujnikach temperatury, takich jak PT100 czy PT1000. Niezbędne jest zatem użycie specjalnych urządzeń elektronicznych.

Jakich tolerancji pomiaru można się spodziewać po systemie wagowym?
Na tolerancje pomiaru systemu wagowego wpływa wiele czynników – mechanicznych, elektrycznych i środowiskowych. Dokładniejszych informacji mogą dostarczyć nasi eksperci w dziedzinie ważenia. Mogą oni także pomóc klientom w zaprojektowaniu systemu wagowego, który będzie odpowiadał ich wymaganiom.