Co je vážní čidlo / Snímač síly?

Vážní čidlo (snímač síly) je převodník síly na měřitelný elektrický výstup. Existuje mnoho různých snímačů síly, ale tím nejrozšířenějším je tenzometrický snímač síly.

S výjimkou některých laboratoří, kde se stále používají přesné mechanické váhy, dominují ve vážních průmyslových systémech tenzometrické měřicí přístroje. Pneumatické snímače zatížení se někdy používají tam, kde je požadováno nevýbušné provedení a existují požadavky na hygienu.

Hydraulické snímače zatížení jsou brány v úvahu ve vzdálených lokalitách, protože nevyžadují napájení. Tenzometrické snímače nabízejí přesnost od 0,03% do 0,25% z plného rozsahu a jsou vhodné pro téměř všechny průmyslové aplikace.

Původ vážních čidel

Před aplikací průmyslových vážících zařízení a před zavedením tenzometrických tahových měřicích přístrojů byly široce používány mechanické pákové váhy. Mechanické váhy mohou vážit vše, od prášků, až po železniční vozy a mohou tak pracovat přesně a spolehlivě, pokud jsou řádně kalibrovány a udržovány. Způsob ovládání může zahrnovat buď použití mechanismu pro vyvažování hmotnosti nebo detekci síly vyvinuté mechanickými pákami. Nejčastější snímače zatížení, před tenzometrickými snímači, zahrnovaly hydraulické a pneumatické konstrukce.

V roce 1843 navrhl anglický fyzik Sir Charles Wheatstone můstkový obvod, který mohl měřit elektrický odpor. Wheatstonův můstek je ideální pro měření změn odporu, které nastávají v tenzometrech. Ačkoli byl první tenzometr z odporového drátu vyvinutý už ve čtyřicátých letech minulého století, nebyl používán až do doby, kdy se podařilo vyvinout moderní elektroniku a s novou technologií byl technicky a ekonomicky proveditelný. Od té doby se však tenzometry prosadily jak v mechanických vážních komponentech, tak v samostatných snímačích zatížení.

V aplikacích, které nevyžadují vysokou přesnost, jako je například manipulace se sypkým materiálem nebo silniční váhy pro nákladní automobily, se stále využívají mechanické plošinové váhy. Avšak i v těchto aplikacích jsou síly přenášené mechanickými pákami často detekovány vážními čidly kvůli jejich kompatibilitě s digitálními a počítačovými přístroji.

Jak funguje vážní čidlo?

Konstrukce vážních čidel lze rozlišit podle typu generovaného výstupního signálu (pneumatický, hydraulický, elektrický) nebo podle způsobu zjišťování hmotnosti (ohýbání, střih, stlačení, napínání atd.)

Hydraulické vážní čidlo

Hydraulické vážní čidlo pracuje na principu rovnováhy sil, měří váhu jako změnu tlaku vnitřní plnící kapaliny. U hydraulického zatěžovacího článku s válcovou membránou se přenáší zatížení nebo síla působící na zatěžovací hlavu na píst, který stlačuje plnicí tekutinu uzavřenou v elastomerní membránové komoře. Při zvyšování síly stoupá tlak hydraulické kapaliny. Tento tlak může být místně indikován nebo přenesen pro dálkovou indikaci nebo ovládání. Výstup je lineární a není relativně ovlivňován množstvím plnící kapaliny nebo její teplotou.

Pokud je hydraulické vážní čidlo správně instalováno a kalibrováno, přesnost může být 0,25% nebo i více, což je přijatelné pro většinu aplikací vážení v procesu. Protože tento snímač nemá žádné elektrické součástky, je ideální pro použití v prostředích s nebezpečím výbuchu. Typické aplikace hydraulických vážních čidel zahrnují vážení zásobníků a nádrží. Pro maximální přesnost by měla být hmotnost nádrže získána ze snímačů umístěných v každé podpěře zásobníku, součtem jejich výstupů.

Pneumatické vážní čidlo

Pneumatický snímač síly pracuje na principu vyvážení síly. Tato zařízení používá více komor tlumičů, aby zajistily vyšší přesnost než hydraulické zařízení. V některých konstrukcích se první komora tlumičů používá jako komora tára. Pneumatické snímače zatížení se často používají k měření poměrně malých hmotností v průmyslových odvětvích, kde je kladen důraz na čistotu a bezpečnost.

Výhody tohoto druhu vážních čidel jsou odolnost proti výbuchu a necitlivost na změny teploty. Navíc neobsahují žádné tekutiny, které by mohly kontaminovat proces, pokud se membrána protrhne. Nevýhody zahrnují poměrně nízkou rychlost odezvy a potřebu čistého, suchého, regulovaného vzduchu nebo dusíku.

Tenzometrické vážní čidlo

Tenzometrické snímače zatížení převádějí na ně působící zatížení na elektrický signál. Samotné tenzometry jsou spojeny s nosníkem nebo konstrukčním členem, který se při působení hmotnosti deformuje. Ve většině případů se používají čtyři tenzometry pro dosažení maximální citlivosti a teplotní kompenzace.

Dva tenzometry jsou obvykle v napjatém stavu a další dva jsou v kompresi, v kompenzačním zapojení, jak je znázorněno na obrázku. Při působení hmotnosti se změní elektrický odpor tenzometrů úměrně se zatížením. Jiné snímače zatížení ztrácejí význam, protože tenzometry zvyšují přesnost a snižují jednotkové náklady.

Piezoelektrické vážní čidlo

Podobně jako u tenzometrů, vytvářejí piezorezistivní snímače zatížení výstupní signál s vysokou úrovní, což je ideální pro jednoduché systémy vážení, protože je lze připojit přímo k vyhodnocovacímu zařízení. Dostupnost levných lineárních zesilovačů však tuto výhodu snížila. Dodatečnou nevýhodou piezorezistivních zařízení je jejich nelineární výstup.

Indukční a reluktanční vážní čidlo

Obě tato zařízení reagují na hmotnostně proporcionální přemístění feromagnetického jádra. Jedno mění indukčnost solenoidové cívky v důsledku pohybu svého železného jádra; u druhého se mění magnetický odpor velmi malé vzduchové mezery.

Magnetostrikční vážní čidlo

Provoz tohoto snímače síly je založen na změně permeability feromagnetických materiálů při aplikovaném zatížení. Je sestaven z laminátů tvořících nosný sloupec kolem sady primárních a sekundárních vinutí transformátoru. Když je aplikováno zatížení, pnutí způsobuje zkreslení vzorků magnetického toku, generující výstupní signál úměrný aplikovanému zatížení. Jedná se o robustní snímač používaný například pro měření síly a hmotnosti ve válcovnách nebo pásových mlýnech.

Aplikace vážních čidel

Vážní čidla představovaly první zásadní změnu konstrukce v technologii vážení. V dnešních zpracovatelských závodech jsou ve většině případů preferovány elektronické snímače zatížení. Mechanické pákové váhy jsou stále používány, pokud je provoz manuální a pracovníci obsluhy a údržby dávají přednost jejich jednoduchosti.

Výběr vhodného typu vážního čidla - snímače síly

	Miniaturní tlakové vážní čidlo Tlaková vážní čidla mají často tvar plochého disku - knoflíku. Jsou ideální pro montáž tam, kde je prostor omezen. Nabízejí vynikající dlouhodobou stabilitu.
	Miniaturní tlakové / tahové vážní čidlo Tlaková a tahová vážní čidla mohou být použita pro aplikace, kde zatížení může přejít z tlaku na tah a naopak. Jsou ideální pro prostředí s omezeným prostorem. Závitové konce usnadňují instalaci.
	Vážní čidlo typu "S" Název vážních čidel typu S je odvozen od jejich tvaru podobného písmenu "S". Tyto snímače tlaku i tahu mohou poskytovat výstup jak při tlakovém tak i tahovém zatížení. Aplikace těchto snímačů zahrnují nádrže, zásobníky a železniční i silniční nákladní váhy. Poskytují vynikající potlačení bočního zatížení.
	Vážní čidlo nosníkového typu Vážní čidla nosníkového typu mohou být použita v aplikacích s větším počtem zátěžovaných článků, například při vážení nádrží nebo při řízení průmyslových procesů. Vyznačují se nízkým profilem a jsou vhodné do omezených prostorů.
	Nízkoprofilové vážní čidlo Nízkoprofilová vážní čidla jsou v podstatě snímače pro tlakové a pro tlakové/tahové síly. Montážní otvory a vnitřní závity umožňují snadnou instalaci. Často se používají při výzkumu a při monitorování osových sil.
	Kanistrové vážní čidlo Kanistrové vážní čidla se používají pro aplikace s jedním a nebo s vícenásobným vážením. Mnoho z nich je vyrobeno z nerezové oceli a jsou hermeticky utěsněny pro mokré a vlhké prostory.