لودسل چیست؟

لودسل یا Load Cell در لغت به معنای سلول وزن،‌ وزن سنج یا حسگر بار است. مكانیزم عملكرد لودسل بر اساس تغییرات طول ناشی از اعمال بار و در نتیجه تغییر خروجی آن می باشد. این سنسور فشار وارد شده از سوی جسم و موارد دیگر را به سیگنال الكتریكی تبدیل می كند. با این روش امكان محاسبه ی دقیق وزن مواد توسط لودسل وجود دارد.

تیپ های مختلف لودسل

به صورت کلی 4 تیپ مختلف Load Cell وجود دارد:

• هیدرولیک یا Hydraulic: هیدرولیک به معنی عملکرد این لودسل با استفاده از Fluid مانند آب یا روغن است. این لودسل ها شبیه به نوع پنوماتیکی هستند که در آن ها به جای هوا از مایعات تحت فشار استفاده می شود. با قرار گیری بار روی سکوی بارگذاری، پیستون به مایع موجود در داخل آن فشار وارد می کند. در این مدل افزایش فشار مایع متناسب با نیرو یا وزن اعمال شده خواهد بود. پس از کالیبره کردن فشار، می توان نیرو یا وزن اعمال شده به لودسل هیدرولیک را با دقت اندازه گیری کرد. در تصویر زیر یک نمونه لودسل هیدرولیکی را مشاهده می کنید:

• پنوماتیک یا Pneumatic: عبارت پنوماتیک به معنی استفاده از فشار هوا در عملکرد لودسل است. طبق تصویر؛ لودسل پنوماتیکی از یک دیافراگم الاستیک تشکیل می شود. این دیافراگم به سطح سکویی متصل شده که در آن وزن اندازه گیری می شود. به صورت کلی لودسل های پنوماتیکی از فشار هوای اعمال شده به یک انتهای دیافراگم استفاده می کنند. تصویر زیر شماتیک کلی یک لودسل پنوماتیکی را نمایش می دهد.

• خازنی یا Capacitance: این لودسل ها از دو صفحه مسطح موازی تشکیل شده اند. با اعمال بار روی صفحه، ظرفیت خازن تغییر کرده و می توان وزن اعمال شده را اندازی گیری کرد. تصویر زیر نحوه ی عملکرد یک لودسل خازنی را نمایش می دهد.

• استرین گیج یا Strain gauge: محبوب ترین نوع لودسل strain gauge ها هستند. لودسل کرنش سنج یک ترنسدیوسر بوده که تحت تنش یا کرنش، مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی متناسب با این تنش یا کرنش وارد شده می باشد. در این لودسل، با تغییر شکل یک یا چند کرنش سنج یا Strain gauge میزان نیروی اعمال شده اندازه گیری می شود. طبق تصویر این نوع لودسل از 4 استرین گیج با پیکربندی پل وتستون تشکیل شده است. به منظور آشنایی با پل وتستون لطفا مقاله ی محاسبات RTd را مطالعه کنید.

انیمیشن زیر نحوه ی عملکرد یک لودسل Strain gauge را نشان می دهد.

در انیمیشن زیر نمونه ی دیگری ازعملکرد این لودسل را مشاهده می کنید:

انیمیشن زیر مربوط به نحوه ی Tension یا کشش و هم چنین Compression در یک لودسل S تایپ است:

میزان دقت و حساسیت مورد نیاز در برنامه از عوامل موثر در انتخاب نوع لودسل است. دقت و حساسیت لودسل خازنی نسبتا بالا می باشد. به صورت کلی میزان دقت و حساسیت لودسل های ذکر شده به ترتیب زیر کاهش می یابد:

1. خازنی
2. کرنش سنج
3. پنوماتیکی
4.  هیدرولیکی

در ادامه ی این مقاله، منظور از لودسل همان لودسل strain gauge می باشد. تصویر زیر مربوط به نمونه ای از لودسل تیپ S است. در مقاله ی بعدی بیشتر به بررسی انواع لودسل می پردازیم.

درجه حفاظت لودسل IP (Ingress Protection)

درجه حفاظت یا IP توسط نظام بين المللى حفاظت تعريف شده و تعیین کننده ی ميزان مقاومت وسایل الکترونیکی است. عبارت IP مخفف Ingress Protection و به معنای درجه حفاظت در مقابل نفوذ است. این کد در استاندارد IEC 60529 معرفی می شود. در کنار عبارت IP دو عدد  به شکل IP XY آورده می شود. X و Y  به ترتیب عبارتند از:

• X: درجه نفوذ در برابر ذرات جامد
• Y: درجه نفوذ در برابر ذرات مایع

به عناون مثال:

• IP66 : مقاوم در مقابل ریزش پر فشار آب
• IP67 : مغروق در آب
• IP68: مغروق در آب تحت فشار

اعداد موجود در جدول زیر به عنوان حرف X استفاده می شوند.

X	سایز جامد	میزان مقاومت
0	–	بدون هیچ حفاظتی
1	mm 50 <	مقاوم در برابر هر سطح و یا جسم بزرگ تر از قطر 50 میلی متر مانند کف دست
2	mm  12.5 <	مقاوم در برابر هر سطح و یا جسم بزرگتر از قطر 12.5 میلی متر مانند نوک انگشت
3	mm 2.5 <	مقاوم در برابر هر سطح و یا جسم بزرگتر از قطر 2.5 میلی متر
4	mm 1 <	مقاوم در برابر هر سطح و یا جسم بزرگتر از قطر 1 میلی متر
5	مقاوم در برابر غبار	در برابر غبار کاملا مقاوم نیست ولی آن قدری غبار وارد جعبه نمی شود که  مخل عملکرد صحیح قطعات داخل آن شود.
6	کاملا مقاوم در برابر غبار	مقاوم در برابر هرگونه گرد و غبار

در جدول زیر مقادیر Y را مشاهده می کنید:

Y	مقاوم در برابر بررسی	شرایط تست	جزییات تست
0	بدون هیچ حفاظتی	–	–
1	ریزش آب	ریزش عمودی و آرام آب	زمان تست: 10 دقیقه ریزش 1mm در دقیقه مانند باران
2	ریزش آب	ریزش عمودی آب وقتی دستگاه نسبت به افق 15 درجه زاویه بگیرد.	زمان تست: 10 دقیقه ریزش 3mm در دقیقه مانند باران
3	پاشش اسپری	ریزش آب به صورت اسپری از عمود تا زاویه 60 درجه نسبت به افق از همه جهات وقتی دستگاه نسبت به افق 0 درجه زاویه بگیرد.	زمان تست: 5 دقیقه حجم آب: 0.7 لبتر در دقیقه  با فشار 80-100 kN/m²
4	پاشش آب از هر جهت	ریزش آب به صورت اسپری از از همه جهات وقتی دستگاه نسبت به افق 0 درجه زاویه بگیرد.	زمان تست: 5 دقیقه حجم آب:10  لبتر در دقیقه  با فشار 80-100 kN/m²
5	واتر جت	در برابر پاشش آب با نازل6.3  میلی متری از تمامی جهات	زمان تست: کمتر از 3 دقیقه حجم آب: 12.5 لیتر در دقیقه  با فشار30 kN/m²  در فاصله 3 متری
6	واتر جت قوی	در برابر پاشش آب با نازل 12.5 میلی متری از تمامی جهات	زمان تست کمتراز 3 دقیقه حجم آب: 100  لیتر در دقیقه  با فشار100 kN/m²  در فاصله 3 متری
7	غوطه ور تا 1 متر	عدم نفوذ آب به داخل دستگاه برای مدت زمان محدود زیر آب غوطه ور در فشار و زمان مشخص	زمان تست: 30 دقیقه در عمق 1 متر زیر سطح آب
8	غوطه ور فرای 1 متر	دستگاه در شرایطی که سازنده مشخص می کند می تواند برای طولانی مدت زیر آب باقی بماند. عموما به معنای sealed کردن کامل دستگاه می باشد. در برخی از موارد ممکن است آب نفوذ داشته باشد در حالی که موجب تخریب نخواهد شد.	زمان تست: مادام عملکرد دستگاه در عمقی که سازنده مشخص می کند.

به منظور تست نفوذ پذیری لودسل های strain gauge آن ها را از گاز هلیم پر کرده و در دستگاه هلیم دتکتور قرار می دهند. در این مدل سیستم آشکار ساز می تواند خروج گاز هلیم را تشخیص دهد. در لودسل های با کیفیت نباید گاز هلیم از بدنه خارج شود. به صورت ساده می توان دریافت که در صورت عدم خروج گاز هلیم؛ امکان ورود آب به لودسل نیز وجود ندارد. در این حالت لودسل در برابر نفود آب مقاوم خواهد بود.

پارامتر های مورد استفاده در لودسل

در این بخش برخی از پارامترهای مهم لودسل بررسی می شود.

دقت لودسل

دقت لودسل یا Load cell accuracy همان تفاوت بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار واقعی است. در صورت تفاوت زیاد بین این دو مقدار می توان دریافت که لودسل خراب است. به صورت کلی دقت یک لودسل به عوامل متعددی از جمله دما، هیسترزیس، تکرار پذیری، نوسانات ولتاژ تحریک و نحوه ی نصل لودسل بستگی دارد.

کلاس دقت لودسل

لودسل ها سنسور های نسبتا دقیقی هستند و کلاس های دقت متفاوتی دارند. به صورت کلی لودسل ها بر اساس قابليت های عملكردی خود به 4 گروه A تا D تقسيم می شوند. نام گذاری آن ها ابتدا بر اساس حروف الفبای انگليسی A تا D و سپس بر اساس مضرب 1000 از ماكزيمم تعداد تقسيمات لودسل است. به عنوان مثال لودسلی باكلاس دقت C3 در رده ی C قرار داشته و تعداد تقسيمات 3000 پله دارد. هر یک از کلاس های A تا D در کاربرد های زیر استفاده می شوند:

• کلاس A در کاربردهای آزمایشگاهی با دقت بسیار بالا
• کلاس B بیشتر در کاربردهای توزین در فروشگاه های طلا و جواهر
• کلاس های C در کاربردهای صنعتی
• کلاس D معمولا جهت کاربردهای با دقت پایین و در باسکول های قدیمی

حداقل مقدار بار قابل اندازه گیر ی توسط هر لودسل، نشانگر دقت آن است. اگر E ظرفیت لودسل وY تعداد تقسیمات لودسل باشد، V حداقل مقدار بار قابل اندازه گیری را نشان می دهد. رابطه ی میان V یا E و Y به صورت V = E/Y است. قابل ذکر است که  لودسل با کلاس C6 دارای بیشترین دقت و لودسل با کلاس C3 دارای کمترین دقت می باشد.

ضريب اطمينان Q

به صورت کلی فرمولی خاص و دقيق جهت محاسبه ی مقدار ضريب اطمينان Q وجود ندارد. این ضریب با توجه به شرايط محيطی و نوع كاركرد سيستم توزين، تعيين می شود. برخی از عوامل موثر بر اين ضریب عبارت اند از:

• شرايط اعمال بار خارج از مركز یا غير متقارن
• اثر بار ضربه ای و ديناميكی
• اثر وزش باد
• طراحی و ويژگی های صفحه ی توزین یا پلتفرم

ضريب كاهش K

ضریب کاهش K از تقسیم مقدار بار اعمالی به لودسل بر مقدار بار اعمالی به صفحه توزین به دست می آید. اين مقدار عموما در باسكول های مكانيكی مخالف 1 بوده و در ساير سيستم های تمام الكترونيك معادل يك می باشد.

حداقل تقسيمات مقابل اندازه گيری Minimum Verification interval – Vmin

اين مقدار برابر با حداقل وزنی است كه لودسل می تواند بدون خارج شدن از حداكثر خطای مجاز اندازه گيری کند. به منظور محاسبه ی این کمیت از فرمول Emax/Y استفاده می شود. در این فرمول Emax حداكثر ظرفيت لودسل است. پارامتر Y نیز مقدار تقسيمات بوده كه توسط شركت سازنده ی لودسل ارائه می شود.

خطای خزش یا Creep Error

خطای خزش برابر با اختلاف بين خروجی لودسل در حالت بدون بار و حالتی كه به مدت 30 دقیقه باری معادل 90% ظرفيت نامی لودسل روی آن اعمال شده است. بر اساس استاندارد OIML R76 مقدار این خطا باید کمتر از 0.7 mpe باشد.

حداكثر ظرفيت Maximum Capacity – Emax

حد اکثر ظرفیت عبارت است از حداكثر مقدار باری كه می توان به لودسل اعمال کرد با این شرط که سنسور در محدوده ی خطای مجاز عمل کند. اين مقدار در حالت 0=Emin برابر با محدوده ی اندازه گيری لودسل و يا ظرفيت نامی لودسل است.

حد بار ايمن Safe Load Limit – Elin

حداكثر باری كه می توان به لودسل اعمال کرد به این شرط که پارامترهای اندازه گيری لودسل را دچار تغيير دائمی نکند.

بار تسليم Ultimate Overload

حداكثر باری كه می توان به لودسل اعمال کرد در حالی که این وزن موجب تغيير شكل دائمی و يا شكست آن نشود.

حساسيت نامی

این پارامتر برابر با نسبت ولتاژ خروجی لودسل به ولتاژ تحريك لودسل است.

تست کردن لودسل

پیش از استفاده از لودسل باید آن را تست کنیم. پروسه ی تست می تواند با استفاده از مولتی متر و منبع ولتاز انجام شود. ابتدا باید با تنظیم مولتی متر روی اهم، مقدار مقاومت lead های ورودی و خروجی لودسل را اندازه کنیم. گام بعدی انطباق مقادیر اندازه گیری شده با calibration certificate مربوط به شرکت سازنده است. می توان با اندازه گیری سیگنال سیم های ورودی لودسل، میزان دقت آن را بررسی کرد. قابل ذکر است که در حالت بدون بار یا فشار این مقدار باید صفر باشد. در ادامه مقدار وزن calibrated dead weight که در گواهی کالیبراسیون مشخص شده را به لود سل اعمال کرده و مقادیر را مقایسه می کنیم.
به منظور بررسی مقاومت لودسل نیز از یک مولتی متر استفاده می شود. ابتدا باید مولتی متر دیجیتال را بین سیم سیگنال مثبت و سیم منفی لودسل قرار دهیم. در این حالت مقدار خروجی بین آن ها باید با مقدار مشخص شده در دیتاشیت سنسور برابر باشد. در ادامه می توان سیگنال بین سیم تحریک مثبت و منفی را بررسی کرد. این سیگنال ها باید با یکدیگر برابر باشند.

نحوه ی اندازه گیری خروجی لودسل

به این منظور می توان Digital meter را به خروجی لودسل متصل کرد. این دستگاه، سیگنال های دیجیتال تولید شده توسط لودسل را به مقادیر دیجیتال قابل قرائت تبدیل می کند. در این روش امکان اندازه گیری خروجی لودسل با استفاده از یک مولتی متر نیز وجود دارد.

رزولوشن یا resolution لودسل

به منظور نمایش تغییرات در خروجی یک دستگاه اندازه گیری ابتدا باید تغییرات در ورودی تشخیص داده شود. توانایی دستگاه اندازه گیری در ثبت تغییرات به عوامل مختلفی بستگی دارد. در این بخش منظور از رزولوشن، کوچک ترین نیرویی است که می تواند در خروجی لودسل تغییر ایجاد کند. به صورت کلی انتخاب یک لودسل با رزولوشن بالاتر، لزوما به معنی نتایج بهتر نخواهد بود. این قابلیت تنها به معنی توانایی لودسل در اندازه گیری یا نمایش مقادیر کوچک تر است. در کاربرد هایی که نیاز به اندازه گیری تغییرات کوچک وزن نداریم، استفاده از لودسل با رزولوشن بالاتر ضروری نخواهد بود.

موارد کاربرد لودسل

لودسل ها در اندازه‌‌گیری وزن، اندازه‌گیری کشش کابل‌‌ها در صنایع نساجی، اندازه‌گیری وزن در ترازوهای الکترونیکی و غیره کاربرد دارند. انواع مختلف لودسل با ظرفیت های مختلف در ترازوها و باسکول‌ها استفاده می شوند. در جدول زیر برخی از کاربردهای لود سل را مشاهده می کنید:

توزین بگ های پزشکی		توزین دسته ایی
اندازه گیری کشش سیم		پر کردن ظروف اتوماسیون
بستن پیچ و مهره		بالابر بیماران پزشکی
اندازه گیری انبساط لوله		تست Force مواد
تست نیروی پدال هلیکوپتر		Mass Flow Meter
نیروی پرس هیدرولیک/ پنوماتیک		اندازه گیری سیلو

هنگام استفاده از لودسل نباید موارد زیر رخ دهند:
1. اعمال بار بيشتر از ظرفيت لودسل
2. افتادن لودسل به زمين
3. ضربه زدن به لودسل جهت جاگذاری زیرا ضربه باعث ايجاد خرابی دائم در لودسل می شود.
4. استفاده از لودسل به عنوان فيوز مكانيكی
5. حفاظت نكردن از كابل لودسل
6. جوشكاری اطراف لودسل
7. حمل لودسل با گرفتن كابل آن
8. اعمال بار غير مجاز به رزوه های لودسل
9. كوتاه نمودن كابل لودسل
10. عبور جريان الكتريكی بين سيستم توزين و محل قرارگيری لودسل
11. اعمال ولتاژ بيش از حد
12. كاركرد لودسل در دمای غير مجاز
13. تجمع آب و پسماند در اطراف لودسل

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.