Тензодатчики – устройство, классические схемы подключения, маркировка, полезная информация для ремонта
Занимаясь ремонтом весоизмерительной техники приходится сталкиваться с некоторым непониманием со стороны механиков такого важного понятия, как принцип работы тензодатчика. Постепенно собралась небольшая коллекция часто задаваемых вопросов и ответов на них. В принципе в интернете и на книжной полке есть достаточно материалов, но, как правило, это в основном информация для инженеров проектировщиков, вызывающая зевоту у инженеров ремонтников. Ответы на вопросы делались на основе практических умозаключений и на основании полученных знаний на лекциях по метрологии, но вполне допускаются ошибки в оконечных выводах, фактически все ответы подкреплены практическими данными. Вопросы будем рассматривать от простого к сложному.
Как правильно называть весовой измерительный датчик для весов
Работая с весами уже более 20 лет, ответ на этот вопрос так и не был найден, поэтому просто перечислим встречавшиеся термины:
- Датчик ХХХХ (где ХХХХ маркировка датчика), чувствительный элемент — Масса-К
- Тензометрический датчик (тензодатчик) – CAS
- Балка – жаргон
- Мы же будем дипломатично называть — весовой измерительный датчик для весов.
Устройство весового измерительного датчика для весов
Вопрос довольно глобальный, постараемся упростить материал как можно больше, и не вдаться в теоретические выкладки. В самом конце подборки мы все-таки рассмотрим весовой измерительный датчик для весов в более расширенном варианте. А пока, максимально упрощенный вариант.
Классический весовой измерительный датчик для весов на выходе имеет четыре разноцветных провода два — питание (+Ex, -Ex), два — измерительные концы (+Sig, -Sig).
Для справки. Встречаются несколько вариантов обозначения выводов весового измерительного датчика для весов
Питание
Выход
Цепи компенсации (только для 6-проводного варианта)
Иногда встречается вариант с пятью проводами, где пятый провод служит экраном для остальных четырех. Суть работы весовой измерительный датчик для весов проста, на вход подается питание, с выхода снимается напряжение. Выходное напряжение меняется в зависимости от приложенной нагрузки на весовой измерительный датчик для весов (балку).
Основное отличие 6-проводного весового измерительного датчика от 4-проводного
При большой длине проводов от весового измерительного датчика до блока АЦП, сопротивление самих проводов начинает влиять на показания весов.
Существует два решения этой проблемы:
1. Делать длину проводов одной и той же длины, тогда погрешность от сопротивления проводов вносимая в цепь измерения будет заранее известна, и будет скомпенсирована на уровне АЦП.
| Для справки. На весах Масса-К серии ВТ было использовано оригинальное решение, АЦП был установлен прямо на весовом измерительном датчике, что позволяло решить проблему сопротивления проводов. Но был допущен серьезный инженерный просчет – переключатель калибровки не был вынесен за переделы весового измерительного датчика, и как результат усложненная процедура калибровки. |
2. Добавить измерительную цепь, с помощью которой можно измерить сопротивление провода (а точнее падение напряжения) и в динамике подкорректировать погрешность от сопротивления проводов вносимую в цепь измерения.
Для этих целей добавляют два провода +Sen, -Sen которые и позволяют измерить падение напряжения на проводах, теперь достаточно вычесть это значение из общих измерений и мы получим показания только с тензорезисторов.
| Вывод: Из вышесказанного следует, для 4-проводной схемы подключения весового измерительного датчика категорически не рекомендуется изменять (удлинять или укорачивать) длину кабеля от датчика до АЦП. В принципе при изменении длины соединительного кабеля можно сделать повторную калибровку, но вот калибровку термокомпенсации, вряд ли удастся, если это не предусмотрено конструкцией весов |
Зачем в балке весового измерительного датчика для весов сделаны отверстия?
Если бы в балке не было отверстий, то вся нагрузка была бы распределена по всей поверхности в равной степени, и выявить деформацию было бы очень трудно. Так как тензорезисторы должны размещаться в местах наибольшего напряжения, то место установки последних делают специально тонким, нагрузка приложенная на конец балки, была максимально выражена в этих самых местах. Для максимального эффекта тензорезисторы строго ориентируют на поверхности балки, строго под самым тонким местом.
Тензорезистор установлен строго по меткам на поверхности балки и в соответствии с метками на подложке.
Двумя отверстиями расположенными рядом достигается эффект – на одной плоскости один датчик работает на сжатие другой на растяжение.
Устройство тензорезистора
Как правило, тензорезистор весового измерительного датчика для весов представляет собой длинный проводник выполненный в виде змейки. При сжатии длина проводника уменьшается и сопротивление уменьшается, при растяжении длина увеличивается и сопротивление увеличивается.
Основной тензорезистор, его положение строго позиционировано, в примере 265 Ом
Измерительный тензорезистор устанавливается строго по меткам, позиционные метки расположены по трем сторонам.
Компенсационный тензорезистор, требования к позиционированию менее жесткие, в примере 20 Ом
Китайский тензодатчик
Несмотря на привычный образ для китайской продукции – товар плохого качества. Китайские тензодатчики обладают довольно хорошими измерительными параметрами, и это не просто цифра на бумажке, а реальная цифра снимаемая с тензодатчика при измерениях. Но без ложки дегтя не обойтись, именно на китайских датчиках первый раз довелось увидеть деформацию балки, видимую даже невооруженным взглядом.
Тензодатчик 6кг (Китай) деформация видна без линейки 
Тензодатчик 150кг (Китай) и снова деформация видна без измерительных приспособлений
Не то что бы тензодатчики других производителей (не Китай) работают безотказно, например при наезде на тензодатчик машиной, конечно он выходит из строя. Однако на нем просто срезает резьбу. Нарезаем новую резьбу и датчик снова исправен.
Определяем маркировку проводов для измерительного датчика весов
Применяем теорию на практике. В качестве образца рассмотрим датчик с весов CAS DB H, у которого нам надо определить назначения контактов с датчика, а именно входные/выходные цепи.
Для справки. Весы CAS DB H со старым АЦП, дисплей люминесцентный с накалом. Напряжение питания может отличаться от весов с черным АЦП.
Провода имеют цветовую маркировку и их 5 – черный, синий, зеленый, красный, белый. Черный откидываем сразу, он ни с чем не звонится – это экран. Будем отталкиваться от того факта, что большинство датчиков имеют выходное сопротивление измерительного моста кратным 350 Ом, а сами датчики подключены по мостовой схеме. Измеряем сопротивления между всеми выводами, получаем 6 значений:
- красный-белый 422 Ом
- синий-зеленый 350 Ом
- синий-красный 335 Ом
- зеленый-красный 335 Ом
- синий-белый 261 Ом
- зеленый-белый 261 Ом
Способ №1: классический
Более быстрый, но дающий результат, в случае если датчик имеет выходное сопротивление измерительного моста кратное 350 Ом.
Как можно увидеть синий и зеленый провод являются контактами выходного сопротивления измерительного моста, так как сопротивление между ними кратно 350 Ом. Соответственно оставшиеся два контакта красный и белый — это контакты питания датчика.
Для справки. Остальные данные по сопротивлению проводов весового датчика весов CAS DB H можно посмотреть здесь. Допускается отклонение сопротивления от указанных +-1 Ом. Стандартное напряжение питания датчика – это +5В, но датчики обычно рассчитываются на 12В.
Способ №2: альтернативный
Проверялся только на мостовой схеме, для других схем подключения может не подойти.
Находим контакты с максимальным сопротивлением, красный и белый провод имеют сопротивление больше всех , 422 Ом – это контакты для входного напряжения. Соответственно оставшиеся два синий и зеленый, есть контакты выходного сопротивления измерительного моста.
Мы намеренно опустили определение полярности входных и выходных групп контактов, что бы не перегружать материал информацией.
Определение полярности контактов для измерительного датчика весов (в разработке)
Тут все несколько неоднозначно, по крайней мере, для нас. Поэтому выкладываем только данные практических экспериментов. В качестве объекта измерения выбраны весы CAS DB 1H с тензодатчиком BC-150DB. Зная паспортные данные тензодатчика, имея 4 варианта подключения и зная правильную ориентацию на станине – снимем показания с выходного датчика. Правильное подключение по паспорту.
Вариант 1. (паспортное подключение)
- 0кг, на выходе 0мВ
- 20кг, на выходе 1мВ
- 40кг, на выходе 1,9мВ
Показания родного АЦП с весов
- 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,160
- 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,956
- 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,751
Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.
Вариант 2. (перевернутое подключение)
- 0кг, на выходе 0мВ
- 20кг, на выходе 1мВ
- 40кг, на выходе 1,9мВ
Показания родного АЦП с весов
- 0 кг, показания АЦП, канал неизвестен 1,150
- 20 кг, показания АЦП, канал неизвестен 5,916
- 40 кг, показания АЦП, канал неизвестен 10,679
Давление на датчик снизу вверх — дает на выходе отрицательное напряжение.
Как видно из показаний, данные АЦП несколько отличаются. В рабочем режиме весы начинают «врать», то есть показывать меньший вес, но если весы откалибровать — показания становятся правильными и весы становятся полностью работоспособными.
Вывод
Фактически подключение не влияет на работоспособность весов в целом, но показания при разных подключениях имеют небольшое отличие. Тензодатчик можно заставить работать в обоих подключениях. Два других варианта подключения рассматривать не будем, так как показания вольтметра на выходе получаются отрицательными, а соответственно нас не интересуют.
Выбираем тензодатчик
Материал, представленный в данной статье рассчитан на новичков, но, возможно, будет полезен и опытным специалистам.
Как выбрать тензодатчик?
С каждым годом тензодатчики находят все большее применение в различных технических областях. Многие компании предлагают богатый ассортимент тензодатчиков различного качества и по различным ценам. Как не запутаться в многообразии предлагаемых типов и сделать правильный выбор?
Для начала определимся с терминологией. Иногда тензодатчик называют как датчик веса, датчик силы, тензометрический датчик, тензорезисторный датчик- все это обозначает обычно одно и то же. Иногда тензорезистор называют тензодатчиком, но мы считаем, что это не верно, тензорезистор- это сам резистор который заключается в пленку и клеится внутри тензодатчика.
Основные характеристики тензодатчиков
Наибольший предел измерения (НПИ) — максимальное усилие, которое может воспринимать тензодатчик. Фактически датчик имеет дополнительный запас прочности, но при выборе тензодатчика номинальная нагрузка на него не должна превышать НПИ. Для особо ответственных конструкций рекомендуется выбирать НПИ тензодатчика с дополнительным запасом.
Конструкция тензодатчика. Наиболее распространенными конструкциями тензодатчиков являются: балочный, мостовой, сильфонный, одноточечный (single point), колонный, шайбовый, S — образный. Выбор типа конструкции обуславливается назначением весовой системы, в которой применяется тензометрический датчик и конструктивными особенностями места его установки.
Схема подключения тензодатчика. Наиболее распространенной является «четырехжильная» схема подключения, такая схема используется в обычных случаях. В случаях, когда имеется существенная разница сопротивлений кабелей смежных тензодатчиков, используется «шестижильная» схема подключения, такая схема позволяет компенсировать электрическое сопротивление кабелей тензодатчиков.
Класс точности тензодатчика. В соответствии с OIML R 60 классы точности датчиков распространяются в очень широком диапазоне, но в реальности классы точности тензодатчиков соответствуют от D1 до С6. Наибольшее применение нашел класс точности C3, что примерно соответствует комбинированной погрешности равной 0.02%. Использование более точных датчиков требует обоснования. Кроме всего прочего существенное влияние на точность может оказать весовой терминал.
Материал тензодатчика. Обычно датчики изготавливаются из легированной стали, нержавеющей стали и алюминия. Обычно одноточечные (single point) датчики производятся из алюминия, а остальные — из легированной стали. Нержавеющая сталь более дорогая и предлагается как опция, чаще применяется в пищевых производствах.
Другие характеристики тензодатчиков. Кроме вышеперечисленных основных характеристик следует обратить внимание на рабочий диапазон температур, рабочий коэффициент передачи (РКП), рекомендуемое и максимальное напряжение питания, класс защиты, входное и выходное сопротивление, длину и диаметр кабеля.
Специалисты компании ТОКВЕС подберут тензодатчик и сопутствующие приборы исключительно под Вашу задачу.
Полезная информация
Шаг 1. Определите Ваши требования
Диапазон измерений датчика: Выберите нагрузку, которую должен измерять датчик.
Выходной сигнал: Стандартный выходной сигнал тензодатчика равен 2.0mV/V.
Направление нагрузки: Определите, какой тип нагрузки должен измерять датчик — растяжение или сжатие, или же оба этих показателя.
Диапазон рабочих температур: Определите температурные условия, при которых будет эксплуатироваться датчик, и в соответствии с этим требованиями выбирайте сам тензодатчик.
Материал: Из какого материала должен быть произведен корпус датчика? Мы предлагаем тензодатчики, сделанные из алюминиевого сплава, стали и нержавеющей стали.
Крепление: Выберите самый удобный способ крепления: внутренняя или наружная резьба, линейное, боковое, фланцевое крепление, крепление через монтажное отверстие и прочие способы установки.
Точность: Определите, насколько точным должен быть датчик. Погрешность измерения у различных датчиков отличается. Тензодатчики наиболее дешевые по цене имеют сравнительно низкую точность, что делает их непригодными для высокоточных измерений.
Защита от условий внешней среды: Должен ли быть датчик защищен от негативного влияния внешней среды? Если да, то в этом случае в нашем каталоге имеются датчики с защитой от интерференции, электромагнитного поля, взрывов, проникновения пыли или воды.
Прочие требования: Требуется ли кабель и какой длины, какого типа должно быть электрическое
соединение и т.д.
Шаг 2. Изучите параметры тензодатчика
Для каждого датчика в каталоге указаны следующие параметры:
Нагрузка: максимальная осевая нагрузка, которую может измерить датчик. При выборе нагрузки рекомендуется также учитывать небольшой резерв сверх запланированной нагрузки.
Номинальный выходной сигнал: сигнал, посылаемый датчиком при приложении нагрузки,
выражается в mV/V.
Чувствительность: мельчайшее изменение в механическом воздействии на датчик, которое создает разницу в выходном сигнале.
Нулевой баланс: выходной сигнал датчика без приложения к нему силы.
Степень расхождения: максимальная возможная разница между показаниями датчика, используемого в нескольких идентичных измерениях.
Нелинейность: максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии, проведенной между показателем без приложения силы и показателем при достижении номинальной нагрузки.
Гистерезис: максимальная разница между выходными показателями при измерении одной и той же нагрузки: в первом случае при увеличении нагрузки с нуля, а во втором при уменьшении нагрузки с номинального уровня.
Ползучесть: изменения в показателях находящегося под постоянной нагрузкой тензодатчика, происходящие с течением времени. Чаще всего ползучесть измеряется на протяжении 30 минут.
Безопасное превышение допустимой нагрузки: максимальная нагрузка, которой может подвергаться датчик без появления сдвига в последующих измерениях. Выражается в процентах от нагрузки (например: 150% F.S.).
Предельное превышение допустимой нагрузки: максимальная нагрузка, которой может подвергаться датчик без физического разрушения датчика. Выражается в процентах от нагрузки (например: 200% F.S.)
Компенсированный рабочий диапазон: диапазон температур, при котором тензодатчик может поддерживать номинальный выходной сигнал и нулевой баланс согласно заявленным характеристикам.
Рабочий температурный диапазон: диапазон температур, при котором датчик может работать без изменений в заявленных показателях.
Влияние температуры при нуле: изменения в нулевом балансе по причине изменения температуры.
Влияние температуры на выходящий сигнал: изменения выходного сигнала по причине изменения температуры.
Собственная частота: частота свободных колебаний в условиях отсутствия нагрузки.
Шаг 3. Выберите тензодатчик, подходящий Вашим требованиям
Сравните Ваши требования к датчику с параметрами тензодатчика. Если какой-то параметр отличается от запланированного Вами, мы готовы изготовить такой тензодатчик под заказ — с учетом тех характеристик, что нужны именно Вам.
При изготовлении датчика на заказ вы можете задавать следующие параметры:
Как выбрать тензодатчик и комплектующие для весового оборудования?
Этот вопрос легко решается, если следовать советам компании ЮНИВЕС. Сначала поймём, что такое тензометрический датчик?
Силоизмерительный тензодатчик предназначен для преобразования усилий (механических деформаций) в электрический сигнал и применяется как комплектующее изделие в весах, весодозирующих и силоизмерительных устройствах.
Чтобы не ошибиться при выборе тензодатчика необходимо однозначно представлять себе следующие технические вопросы:
1. Возможные варианты размещения датчиков (датчика) в весовом устройстве в зависимости от его конструкции и предназначения.
Возможно, ваша система взвешивания будет монтироваться на одном датчике либо Вы планируете использовать несколько датчиков. В случае, если центр тяжести находится ниже места крепления тензодатчика Вам следует обратить внимание на S-образные датчики растяжения. Если центр тяжести находится выше места крепления тензодатчиков Вам потребуются датчики сжатия. В случае использования одного датчика сжатия обратите внимание на алюминиевые датчики. Если используется несколько — на конструкции узлов встройки для выбранного типа датчика.
2. Максимальная удельная нагрузка на датчик и возможные перегрузки.
Максимальная удельная нагрузка на датчик определяется как сумма веса весоприемной конструкции, собственно веса продукта и дополнительных нагрузок от внешних воздействий (возможных смещений груза, динамического нагружения, ветровых нагрузок). Желательно, чтобы рассчитанная максимальная удельная нагрузка не превышала НПВ датчика. Всегда выбирайте датчик с большим НПВ в случае, если рассчитанная максимальная удельная нагрузка несколько больше ближайшего значения НПВ.
3. Требуемая точность системы и желаемая дискретность отсчета.
Различайте цену поверочного деления вашей весовой системы (е) и дискретность отсчета (d), которую может обеспечить ваша система. Помните, что погрешность измерения определяется нагрузочной кривой тензодатчика и жесткостью системы (отношением нагрузки к деформации), а дискретность — лишь возможностью АЦП весового индикатора. Для того чтобы достичь погрешности 0,03% Вам необходимо использовать датчик типа D3 или С3. Если Вам необходимо получить более высокие погрешности (0,02%) используйте датчики А5. Помните, что при использовании нескольких датчиков точность системы повышается в N раз, где N — число датчиков. Выбирая датчик знайте, что CAS обеспечивает 40% рабочий интервал для всех датчиков, т.е любой датчик будет соответствовать своим метрологическим данным D3, С3 или А5 даже при использовании 40% рабочего диапазона.
4. Устойчивость показаний.
Для устойчивой оцифровки аналогового сигнала весовым индикатором рекомендуется выполнение следующего условия 1d = 1,5. 2,0 мкВ. При этом обращайте внимание на рабочий коэффициент передачи датчика (РКП) и выбирайте НПВ датчика(ов) с разумным запасом.
5. Условия эксплуатации датчиков.
Всегда обращайте внимание на указанную степень защиты (IP) датчика. Помните, что для использования в агрессивных средах следует использовать датчики с IP не ниже 67.
6. Предполагаемые инвестиции (выбирайте согласно принципу цена-качество).
Самым надёжным в конструкции — датчики, так как именно этот элемент конструкции определяет точность, надежность и долговечность весовой системы в целом.Поэтому помните, что скупой платит дважды.
7. Формальности при покупке и гарантийные обязательства.
При покупке датчика проверьте наличие калибровочного сертификата датчика. Данный сертификат с указанием индивидуального номера датчика и его технических характеристик является одновременно инструкцией по эксплуатации данного датчика и его гарантийным талоном. Помните, что продавец в праве отказать в бесплатном ремонте или замене датчика, в случае потери калибровочного сертификата датчика. Всегда сохраняйте индивидуальный калибровочный сертификат. В случае необходимости Вы можете получить копию метрологического сертификата о внесении данного типа датчика в государственный реестр средств измерений.
8. Что дальше?
Вам необходимо выбрать весовой индикатор и, если Вы намерены использовать более одного датчика, — соединительную коробку.
На все возникшие вопросы Вам ответят специалисты компании ЮНИВЕС по телефону (812) 438 01 08.