Тензометрический датчик, весовой модуль, датчик веса

Как работает тензометрический датчик?
Технология датчиков веса основана на преобразовании приложенного усилия — силы тяжести, действующей на тело в гравитационном поле Земли в зависимости от его массы, — в электрический сигнал. В большинстве случаев используются тензодатчики, преобразующие механическую деформацию в значение сопротивления. Узнайте больше о тензодатчиках ниже. Масса под действием гравитации приводит к образованию силы тяжести. Эта сила вызывает деформацию корпуса тензометрического датчика, и датчик регистрирует меру этой деформации. Деформация приводит к изменению сопротивления и изменению выходного напряжения. Таким образом выходное напряжение изменяется пропорционально измеряемой массе.

Что такое тензометрический датчик?
Датчики веса тензометрические или весовые датчики используются в самых разных отраслях там, где необходимы точные измерения. Тензодатчики достоверно измеряют массу резервуаров, емкостей, бункеров или конвейеров. Технология датчиков веса предусматривает воздействие самых сложных условий промышленного применения. Тензодатчики рассчитаны на разную максимальную нагрузку. Некоторые тензодатчики подходят для применения в лабораториях, другие предназначены для тяжелых грузов и используются в логистических операциях.

Тензодатчики должны соответствовать международным нормативам и стандартам. В ассортименте МЕТТЛЕР ТОЛЕДО представлены тензодатчики балочного типа, с помощью которых конструкцию можно превратить в производственные весы. Тензодатчики балочного типа широко применяются в напольных электронных весах, весовых системах, палетных весах, конвейерных весах, а также в контрольных весах. Технология датчиков веса колонного или цилиндрического типов также подходит для сложных условий. Обычно такие датчики устанавливают в бункерные и автомобильные весы, системы для взвешивания резервуаров.

Что такое весовой модуль?
Весовой модуль состоит из тензодатчика и вспомогательной конструкции. Он предназначен для использования в бункерных весах и конвейерных весовых системах. В отличие от датчиков веса и тензодатчиков весовые модули имеют защиту от ветровых и сейсмических нагрузок. Тензометрические датчики веса устанавливаются в систему в заводских условиях, поэтому клиент может рассчитывать на повышенную точность и увеличенный срок эксплуатации весового датчика.    

Для чего в весах используются тензодатчики?
Тензодатчики используются для измерения массы различных грузов (например, тензодатчик на 50 кг или 50 т). Диапазон измеряемой массы: от микрограммов для высокоточных датчиков веса до нескольких сотен тонн для большегрузных весовых тензодатчиков и производственных весов. Измерение небольшой массы часто требуется в фармацевтическом производстве, где даже доля грамма может иметь принципиальное значение. Тензодатчики среднего размера обычно используются в промышленности и торговле материалами. Тензодатчики с большой максимальной нагрузкой используются в системах хранения.

Насколько точны тензодатчики?
Очень часто точность и разрешение путают. Разрешение — это количество отображаемых цифр, но большее количество цифр не означает, что точность выше. Точность связана с погрешностью результатов измерения массы (см. разделы тензометрический датчик весов и работа тензометрического датчика). В производственных весах для торговых операций разрешение специально ограничивается, чтобы не мешать считыванию результатов. Лучшим доказательством достаточной точности является сертификация для торговых операций. Тензорезисторные датчики обычно обеспечивают точность от 1/3000d до 1/10 000d (указываемую в характеристиках датчика веса). Точность тензодатчиков с электромагнитной компенсацией силы достигает 1/200 000 и выше. При идеальных условиях, в том числе при постоянной температуре и влажности, точность может быть в 5–10 раз выше.
Расчет точности системы с использованием тензометрического датчика — сложная задача. Необходимо учесть множество факторов: температуру, время, разрешение и т. д. Лучший источник информации — компания, занимающаяся производством тензодатчиков. Руководство по выбору компонентов весоизмерительного оборудования содержит инструкции для профессиональных расчетов.

Что такое калибровка тензометрических датчиков?
Калибровка — это процесс оценки точности, необходимый для того, чтобы погрешность результатов взвешивания оставались в пределах заранее заданных допусков для тензометрического датчика, который вы решите купить. Весовой датчик следует калибровать  по месту установки. Калибровку необходимо проводить по месту установки оборудования в первую очередь потому, что сила тяжести зависит от местоположения. Тензодатчик, произведенный в одном месте, а используемый в другом, без калибровки на месте эксплуатации будет выдавать ошибочные результаты. Другой причиной, по которой тензодатчикам требуется калибровка по месту установки, является постоянный износ самого устройства. От износа страдают все приборы. В зависимости от того, насколько важна точность в процессе, в котором используются производственные весы, калибровать весы нужно каждые 1–2 года. 

Для калибровки большегрузных бункерных весов удобно использовать метод RapidCal.

Какой у тензометрического датчика выходной сигнал?
Большинство тензодатчиков имеют аналоговый выход 2–3 мВ/В. Тензодатчики — это пассивные устройства, для их возбуждения необходим внешний источник питания. Выходной сигнал меняется в зависимости от напряжения возбуждения и текущей нагрузки. Таким образом, очень важно иметь стабильный источник напряжения возбуждения, который исключает эффекты, связанные с источником питания. Тензометрический датчик с коэффициентом передачи 2 мВ/В при полной нагрузке выдает всего 20 мВ при напряжении питания 10 В. Современный терминал (весовой модуль) обеспечивает и стабильность источника питания, и точное усиление выходного сигнала для преобразования аналоговых данных в цифровые. Для качества сигнала важна правильность включения тензодатчиков.

Сколько существует типов тензометрических датчиков?
Прежде всего, тензодатчики отличаются по форме. Одноточечные тензодатчики используются для взвешивания малых и средних грузов. Тензодатчики балочного типа применяются в напольных электронных весах и бункерных весах среднего размера. Тензодатчики колонного типа используются для работы с большими нагрузками. Тензометрические датчики можно также классифицировать по типу выходного сигнала. Аналоговым тензодатчикам для усиления сигнала и его преобразования в цифровой вид нужен внешний терминал. В цифровых тензодатчиках предусмотрены встроенные интеллектуальные инструменты, которые обеспечивают повышенную точность, гораздо более надежную передачу данных и контроль состояния тензодатчика для целей технического обслуживания. Цена тензодатчика зависит от его типа и рабочих характеристик.

Как использовать тензодатчики?
Тензометрические датчики измеряют как собственный вес, так и чистую нагрузку на весы. Это необходимо учитывать при расчете максимальной нагрузки тензодатчиков. Важно также размещение грузов на производственных весах. Не рекомендуется использовать тензодатчики большего размера, чем необходимо для конкретного применения, так как точность от этого падает. Для производственных весов, где грузы обычно располагаются по центру, — что верно для большинства весов для резервуаров, бункеров и сосудов, — справедлива формула:
C >= sf*(TDL + SC)/N (например, бункерные весы).

Для весов с четырьмя тензодатчиками, на которых груз часто будет расположен не по центру, — что справедливо для напольных, небольших автомобильных и конвейерных весов, — формула следующая:
C >= sf*(TDL/4 + SC/2)  (например, напольные, небольшие автомобильные и конвейерные весы).

C = максимальная нагрузка тензодатчика или весового модуля.
TDL = полный собственный вес.
SC = максимальная нагрузка (для весов).
sf = коэффициент запаса (обычно 1,25).
N = количество тензодатчиков или весовых модулей.

Для расчета более сложных систем обратитесь к профессиональному консультанту.

Дополнительные сведения по инженерным вопросам см. в справочнике по весовым модульным системам.

Советы и рекомендации по использованию тензодатчиков
Частая ошибка при выборе тензодатчиков — неподходящий класс защиты. Тензодатчики очень чувствительны к влажности и промывке под напором. Несмотря на высокое значение класса защиты, ее может быть недостаточно при наличии влаги в сочетании с повышенной температурой. При повышенной влажности и перепадах температуры (холодный воздух, горячая промывка под напором) рекомендуется выбирать герметичные тензодатчики из нержавеющей стали. Если вы решили купить тензодатчик, необходимо учесть разные параметры.

Затраты на калибровку систем тензометрических датчиков часто недооценивают. Если система управления качеством требует регулярных калибровок, то лучше всего будет проконсультироваться с одной из крупнейших международных компаний по производству тензодатчиков. Для проведения калибровки в соответствии с ISO 9001 потребуется специальное калибровочное оборудование и прослеживаемость до международных стандартов. Ошибочно считать, что калибровку тензометрического датчика достаточно провести только один раз.  Для калибровки большегрузных бункерных весов удобно использовать метод RapidCal.

При оценке точности часто забывают учесть способ включения тензодатчиков и особенности прокладки кабелей. В любом случае рекомендуется использовать экранированные кабели, потому что сигнал тензометрического датчика имеет малое напряжение и восприимчив к наводкам. Рекомендуется использовать кабели минимального сопротивления и минимально возможной длины, потому что удельное сопротивление меди изменяется в зависимости от температуры.

Тензодатчик измеряет силу, а не массу, поэтому наличие любой случайной вертикальной силы в системе тензометрического датчика напрямую влияет на точность. Стоит обратить внимание на усилия, возникающие в трубопроводе, контакт основания с землей, возникший из-за собравшегося мусора, и т. д., а если вы решили купить микровесы или систему с малой максимальной нагрузкой — на вибрации. Свяжитесь с экспертом, чтобы избежать подобных проблем при проектировании весовой системы.

Во многих случаях быстродействие системы тензометрических датчиков имеет решающее значение. При повышении скорости обновления данных повышается точность наполнения. Это касается и точности дозирования, когда воспроизведение рецептуры зависит от быстродействия системы тензометрических датчиков. Системы с малым временем отклика могут стоить дороже, но такие вложения быстро окупаются.

Для трудоемкой интеграции тензодатчиков в другое оборудование потребуются специалисты с хорошей инженерной подготовкой. Интеграция весовых модулей выполняется в заводских условиях, что обеспечивает безопасность и оптимальные рабочие характеристики тензометрического датчика. См. подробную информацию о выборе весовых модулей.  

Как работает тензорезисторный датчик?
Это краткое руководство содержит описание принципа действия тензорезисторных датчиков. Действие тензорезисторов основано на следующем принципе: при растяжении сопротивление проводника увеличивается, а при сжатии уменьшается. Под нагрузкой корпус тензометрического датчика деформируется. Эту деформацию регистрирует закрепленный на корпусе тензорезистор, и его сопротивление изменяется. Изменение сопротивления пропорционально величине деформации. Изменение сопротивления обычно мало — менее 1 Ом. При значительном расстоянии его сложно измерить. Для преобразования изменения сопротивления в изменение напряжения используется мост Уитстона. Обычно для надежной регистрации изменения напряжения используется четыре тензорезистора. Передача напряжения на расстояние значительно проще и доведена до совершенства.

Чем отличаются тензометрический и тензорезисторный датчики?
Тензорезисторные датчики являются компонентами тензометрических датчиков. Тензодатчик — это устройство, которое преобразует приложенную нагрузку в деформацию. Эту деформацию регистрирует тензорезисторный датчик. При этом его сопротивление меняется на величину, которую можно измерить и определить как результат взвешивания. 

Что такое напряжение возбуждения для тензометрического датчика?
Тензометрические датчики — это пассивные устройства, для их возбуждения необходим внешний источник питания. Напряжение возбуждения может быть нестабильным, что приводит к ошибкам. Таким образом, очень важно иметь стабильный источник напряжения возбуждения, который исключает эффекты, связанные с источником питания. Современные терминалы обеспечивают стабильность источника питания, точное усиление слабого выходного сигнала и преобразование аналогового сигнала в цифровой.

Что такое гидравлический тензометрический датчик?
Гидравлические тензодатчики работают по принципу изменения давления при приложении нагрузки к находящемуся внутри них объему жидкости. Изменение давления регистрируется датчиком давления. Гидравлические тензодатчики не очень точны и сейчас используются довольно редко. Когда электроника не была столь точной, они считались более надежными, но это преимущество давно исчезло.

Линейна ли характеристика тензодатчиков?
Обычно линейность тензодатчиков очень высока: до 0,03 % или даже намного лучше. Современные производственные весы в основном калибруются только по нулю и максимальной точке диапазона, а промежуточный диапазон считается линейным.

Хватит ли одного или двух тензодатчиков для емкостных производственных весов на трех или четырех опорах?
В системах контроля уровня жидкости число тензодатчиков может быть меньше, чем количество опор у резервуара. Важно обеспечить, чтобы центр тяжести в системе не смещался по горизонтали при изменении нагрузки. Точность такой системы может быть неидеальной. Не используйте такую систему для сыпучих материалов.

Будут ли электронные датчики PT1000 или PT100 работать с аналоговыми тензодатчиками?
У аналоговых тензодатчиков выходной сигнал (мВ/В) отличается от сигналов пассивных температурных датчиков PT1000 и PT100, поэтому потребуется специальная электроника.

Какие допуски обычно используются в системе взвешивания?
Допуски системы взвешивания зависят от многих факторов, включая механическое, электрическое и климатическое воздействие. Специалисты МЕТТЛЕР ТОЛЕДО по взвешиванию могут предоставить дополнительную информацию и помочь в разработке системы взвешивания, отвечающей вашим требованиям.