انواع لودسل استرین گیج صنعتی

در این مقاله انواع لودسل Strain gauge صنعتی را بیشتر بررسی می کنیم. جهت آشنایی با لودسل می توانید مقاله لودسل چیست را مطالعه کنید. همانطور که می دانید لودسل یك نوع حسگر الكترونیكی جهت اندازه گیری وزن و نیرو بوده و در سیستم های توزین مورد استفاده قرار می گیرد. این سنسور تغییرات وزن را به شکل تغییر ولتاژ حس كرده و آن را به نشان دهنده ی الكترونیكی یا اندیكاتور منتقل می کند. قابل ذکر است که این تغییرات ولتاژ بر اساس وزن وارد شده به سنسور است. به صورت کلی با اعمال نیرو به لودسل استرین گیج، يک سيگنال الکتريکی ضعيف در حد ميلی ولت در سيم های خروجی آن ظاهر مي شود. جنس سنسور می تواند از فولاد و يا آلومينيوم باشد. در قسمتی از بدنه ی اين قطعه فلزی 2 يا چند مقاومت حساس به تغيير شکل یا Strain Gauge چسبانده شده است. در این حالت با اعمال نيرو به سنسور، بدنه ی فلزی آن تغيير شکل نامحسوسی پيدا می کند. این تغيير شکل نامحسوس موجب تغيير شکل استرين گيج های چسبيده به لودسل می شود. تغییر شکل باعث می شود مقاومت الکتريکی استرین گیج ها به ميزان اندکی در حد صدم يا دهم اهم تغيير کند.

كلاس هر لودسل بیانگر موارد مختلفی از جمله دقت، ظرفیت و تعداد قسمت های تقسیم شده بر حسب استاندارد است. لودسل های مـرغوب و دقیق دارای استاندارد OIML هستند. این استاندارد مشخص کننده ی كیفیت و دقت ساخت این محصول است. به عبارت دیگر عملیات سنجش وزن به وسیله ی لودسل هایی كه فاقد این استاندارد باشند قابل اطمینان نخواهد بود.

همانطور که شرح داده شد اساسی ترین جز تشکیل دهنده ی لودسل ها، برد مقاومتی استرین گیج یا Strain Gage است. این برد متشکل از 4 عدد مقاومت متغیر بوده که به صورت پل وتستون قرار گرفته اند. در تصویر زیر مدار الکتريکي معادل لودسل را مشاهده می کنید. به صورت کلی هر لودسل می تواند 4 سیم داشته باشد. سيم های EXT- و EXT+ تغذيه ی لودسل بوده و با توجه به مدل آن می تواند بین 3 تا 60 ولت DC باشد. سیم های Sig-و Sig+ دو سيم ديگر سنسور بوده و حامل سيگنال الکتريکی هستند. این سیگنال همان خروجی لودسل بوده و در حد چند میلی ولت است. با اعمال نيرو به سنسور، مقاومت بازوهای پل وتستونی تغيير کرده و در خروجی یا Sig- و Sig+ يک ولتاژ الکتريکي کوچک در حد چند ميلي ولت ظاهر مي شود. با استفاده از مدارات تقویت کننده می توان این سیگنال ها را از حد میلی ولت به ولت رساند. در ادامه با استفاده از مبدل های آنالوگ به دیجیتال، نیرو به یک عدد قابل نمایش تبدیل می شود.

لودسل چگونه کار میکند

پیش از بیان نحوه ی عملکرد لودسل های Strain gauge باید یک نکته ی مهم را در نظر بگیرید. مقاومت الكتریكی یك قطعه با طول آن نسبت مستقیم و با سطح مقطع آن نسبت عكس دارد. به عبارت دیگر اساس کار لودسل ها طبق قانون زیر است. در این سنسورها، یك ورقه ی فلزی با استفاده از چسب مخصوص عایق به دو سر مقاومت هایی چسبانده شده است. در صورت اعمال نیرو به لودسل؛ ورق فلزی در حد چند میکرون خم می شود. خم شدن ورق فلزی به معنی تغییر طول بوده و طبق رابطه ی زیر، مقاومت نهایی تغییر خواهد کرد.

\[R = \rho L/A\]

قرار دادن این دو مقاومت در یک پل وتستون و تغییر آن ها، موجب تولید جریان می شود. از طرفی تقسیم جریان باعث ایجاد اختلاف پتانسیل خواهد شد. به منظور مشاهده ی این اختلاف پتانسیل از ولت متر و برای تقویت آن می توان از یک تقویت کننده استفاده کرد. خروجی لودسل جهت حذف نویز از یک فیلتر عبور می کند. فیلتر استفاده شده در لودسل ها، فرکانس های 50 هرتز و کمتر از آن را عبور می دهد. خروجی فیلتر، یک سیگنال آنالوگ بوده و به مبدل آنالوگ به دیجیتال منتقل می شود. در این مرحله، سیگنال دریافتی آماده ی پردازش در انواع سیستم ها مانند PLC خواهد بود.

انیمیشن زیر نحوه ی تغییر سیگنال خروجی یک نوع لودسل تیپ S یا اس شکل در اثر اعمال نیرو را نمایش می دهد.

عیب یابی لودسل

لودسل ها سنسورهای نسبتا دقیقی هستند. در صورت استفاده ی نادرست از لودسل ها ممکن است به آن ها آسیب وارد شود. برخی از عوامل موثر در تخریب Load Cell ها عبارتند از:
1. اضافه بار غیر مجاز و فراتر از حد تحمل لودسل
2. کشیده شدن و قطعی کابل لودسل
3. استفاده در دمای بالا
4. رطوبت بالاتر از حد تحمل لودسل بر اساس IP آن
5. جوشکاری و عبور جریان بالا از بدنه ی لودسل

جهت عیب یابی یک لودسل می توان تست های ظاهری و اندازه گیری مقاومت آن را انجام داد. نکات مهم در این تست ها عبارتند از:

• تست ظاهری:

1. بررسی ظاهر لودسل از لحاظ عدم وجود دفرمگی
2. بررسی کابل لودسل از نظر عدم وجود قطع شدگی، له شدگی ، جویدگی توسط موش و غیره

• تست اهمی:

1. ابتدا باید سنسور را کاملا از مدار باز کنیم.
2. بر اساس رنگ بندی ارائه شده در کاتالوگ سیم های ورودی Excite و خروجی Signal را مشخص می کنیم.
3. با استفاده از اهم متر مقادیر مقاومت بین دو به دوی سیم ها را اندازه می گیریم.
4. در کاتالوگ لودسل مقادیر مقاومت ورودی EX to +EX- و مقاومت خروجی Sig to +Sig- درج شده است. در نظر داشته باشید که مقدار اندازه گیری شده توسط اهم متر نباید بیش از چند اهم با مقادیر اعلام شده از طرف شرکت سازنده متفاوت باشد.

انواع لودسل

لودسل ها متناسب با کاربردشان به انواع مختلف زیر تقسیم می شوند:

• لودسل فشاری Compression: این مدل معمولا از قانون تغيير طول ستون ها پيروی می كند. در اثر اعمال وزن روی این نوع لودسل، تغيير طولی حداكثـر تا 5 ميلی متر ایجاد می شود. این سنسور با نام هایی نظير لودسل ستونی یا canister load cell نيز شناخته می شود. در مدل Compression، كرنش سنج ها بر روی ستون اصلی متصل می شود. این سنسور معمولا از جنس فولاد آلياژی و يا فولاد ضد زنگ stainless steel است. در تصویر زیر نمونه ایی از انواع لودسل فشاری را مشاهده می کنید.

• لودسل خمشی Shear Beam: این لودسل معمولا به شكل چهار گوش است. لودسل خمشی توسط دو پیچ از يك سمت به بدنه ی اصلی و در سمت مقابل به پلتفرم توزين متصل می شود. در نظر داشته باشید که نباید بار جانبی به این سنسور اعمال شود. از Shear Beam ها معمولا به صورت چند لودسلی استفاده می شود. در لودسل نوع خمشی bending load cell كرنش سنج ها میزان كرنش طولی و عرضی و در مدل های  shear beam load cell، تنش برشی را محاسبه می کنند. در اين نوع لودسل، كرنش سنج ها تحت زاويه ی 45 درجه روی بدنه نصب شده اند. جنس مصرفی این سنسور عموما از نوع فولاد آلياژی و يا فولاد ضد زنگ stainless steel است.

• لودسل تك پایه Single point : این نوع لودسل ها مـعمولا به يك صفحه يا پلتفرم مربع يا مستطيل شكل متصل می شوند. يك سمت لودسل تک پایه روی محل صلب یا سخت وصل می شود. سمت ديگر این سنسور جهت اندازه گیری وزن و يا نيرو است. از لودسل تک پایه یا تك نقـطه ای جنس آلومينيوم جهت مصارف عمومی نظير ترازوهای ديجيتالی استفاده می شود. لودسل های صنعتی عموما به شکل استيل ضد زنگ هستند. رنج وزنی لودسل های تك نقطه ای از 100 گرم تا 2 تن است. در تصویر زیر یک LOAD CELL 1130 صنعتی را مشاهده می کنید.

• لودسل كششی S-Type: لودسل های تیپ S یکی از انواع لودسل های صنعتی و پرکاربرد به شمار می روند. در این سنسور، تغيير طول ناشی از افزايش طول بدنه اندازه گيری شده و متناسب با آن مقدار نيرو و يا وزن محاسبه می شود. شکل بدنه ی لودسل نوع کششی عموما مانند حرف S انگليسی است. نحوه ی اعمال بار روی این سنسور و عمود قرار گرفتن آن در طی اندازه گيری بسيار مهم می باشد. در تصویر زیر یک LOAD CELL 615 صنعتی را مشاهده می کنید.

• لودسل دیسکی Spoke Type: این لودسل عموما به صورت كششی- فشاری كار می كند. لودسل های Spoke Type به شكل ديسك طراحی شده و كرنش سنج ها روي بدنه ی داخلی آن نصب می شوند. به دلیل ارتفاع كم لودسل دیسکی و پاسخ فركانسی بالا، از این مدل در دستگاه های اندازه گيری و تست استفاده می شود. دقت این سنسور در مقايسه با انواع لودسل های فشاری و كششی پایين تر است.

پارامترهای مهمی در شناسایی و مقایسه ی قابلیت های انواع لودسل وجود دارد. برخی از این ویژگی ها عبارت اند از:
• حد ایمن بار الکتریکی
• حداکثر بار مکانیکی ایمن
• محدوده دمای صحیح شده
• گستره درجه حرارت کاری
• گستره درجه حرارت انبار
• گستره ولتاژ ورودی تحریک
• حداقل مقدار قابل اندازه گیری
• مقاومت اهمی ورودی
• مقاومت اهمی خروجی و غیره

هنگام استفاده از انواع لودسل به نکات زیر توجه کنید:

1. انتخاب سنسور مناسب، مطابق با نوع كاركرد و شرايط محيطی
2. انتخاب ظرفيت صحيح
3. در نظرگرفتن كلاس دقت مورد نظر
4.  در نظر گرفتن اثرات محيطی بر دقت دستگاه مانند اثر وزش باد، اصطكاك، انبساط و انقباض، ‌سيم بندي و غیره
5. طراحی مناسب جهت جلوگيری از اضافه بار و عدم صدمه ی فيزيكی به سنسور
6. استفاده از قطعات هم سايز لودسل dummy load cell در نصب دستگاه و جايگزين نمودن لودسل در زمان استفاده
7. آگاهی از وجود نيروهای ضربه ای كه باعث ايجاد خرابی های دائمی در سنسور می گردد.
8. نگه داری و حمل صحيح سنسور
9. استفاده از پيچ های كيفيت بالا و نصب پيچ لودسل با ترك متر یا نیرو سنج مطابق با مقدار ارائه شده از طرف شرکت سازنده
10. اطمينان از تراز بودن و زبر نبودن سطحی كه سنسور به آن متصل می شود.
11. استفاده از كانكتور و جانكشن باكس با كيفيت
12. بازرسی متناوب لودسل ها در سيستم های توزين به ويژه در پايان هر فصل و شرايط خاص محيطي مانند زلزله، سيل، رعدو برق و غیره
13. كنترل رنگ بندی سيم سنسور جهت اتصال به سيستم اندازه گيری
14. كنترل خوردگی در سنسور و قطعات متصل شده
15. استفاده از كابل ارت جهت باي پس كردن جريان الكتريكی در سيستم توزين