Podstawowe wiadomości o wagach
Wielkością fizyczną charakterystyczną dla każdego ciała materialnego jest jego masa. Jest to wielkość niezależna od przyciągania ziemskiego ale charakteryzuje miarę bezwładności danego ciała. Natomiast ciężar stanowi wynik oddziaływania przyciągania ziemskiego na masę. Ponieważ przyciąganie ziemskie związane z przyspieszeniem ziemskim jest różne w różnych miejscach kuli ziemskiej dlatego np. ciężar ciała na równikach jest około 0,5% większy. Między masą a ciężarem danego ciała istnieje zależność wynikająca z prawa Newtona:
Proces wyznaczania masy ciała przy wykorzystaniu sił ciężkości działających na to ciało nazywa się ważeniem, a stosowany w tym procesie przyrząd pomiarowy –wagą. Pierwsze wagi mechaniczne pojawiły się około 4 tysięcy lat temu w starożytnym Babilonie. Były to wagi równoramienne wiszące działające na zasadzie porównania z masą wzorcową (odważniki kamienne, ziarna itp.). Konstrukcje wag były stopniowo udoskonalane. Odważniki zostały zastąpione wewnętrznymi wzorcami zintegrowanymi z wagą. Do mechanizmów zostały dodane elementy przełącznikowe umożliwiające rozszerzenia zakresów ważenia. Przez długi czas stosowano różne jednostki ciężaru. Dopiero w 1790 roku we Francji ustalono międzynarodowy metryczny system miar, według którego za jednostkę masy przyjęto kilogram. System ten obowiązuje w Polsce od 1919 roku. W obecnych czasach wagi mechaniczne są wypierane przez wagi elektroniczne. Nadal jednak w wielu krajach w handlu i przemyśle funkcjonują stare sprawdzone konstrukcje wag mechanicznych. Należy przyznać, że nadal najdokładniejszymi wagami w urzędach metrologicznych w Polsce i za granicą są precyzyjne wagi mechaniczne o prostej konstrukcji (ale o bardzo dużej dokładności wykonania) służące do wzorcowania najdokładniejszych odważników. Wzorce te są następnie używane do regulacji wag elektronicznych, które są jednak wygodniejsze i otwierają nowe możliwości w procesach automatyzacji ważenia.
Pomiary masy obejmują zakres od 1 mikrograma (1/1000 000 g - wagi
mikroanalityczne stosowane w chemii) aż do 1000 megagramów (1000 ton – wagi kolejowe stosowane w hutnictwie). W tak szerokim zakresie stosuje się bardzo wiele typów wag. Poniżej przedstawiono podział wag pod względem ich cech konstrukcyjnych i własności użytkowych:
Ze względu na dokładność pomiaru.
• klasa specjalna (klasa I) obejmująca wagi dla bardzo małych obciążeń lub
specjalnych zastosowań, np. wagi wzorcowe, wagi mikroanalityczne.
• klasa wysoka (klasa II) obejmująca wagi analityczne i inne o błędach względnych rzędu od 1*10-4 do 1*10-5.
• kasa średnia (klasa III) obejmująca wagi powszechnego użytku (szczególnie wagi stosowane w celach rozliczeniowych) o błędach względnych rzędu od 1*10-3 do 1*10-4.
• klasa zwykła (klasa IV) obejmująca wagi powszechnego użytku (szczególnie wagi stosowane do kontroli procesów technologicznych) o błędach względnych rzędu od 5*10-3 do 1*10-3.
Ze względu na konstrukcję i sposób działania.
• Wagi mechaniczne – wagi, których podstawowym elementem jest mechaniczny element pomiarowy (np. dźwignia, sprężyna, tłok) lub układ tych elementów, służący do wyznaczania masy ciała (np. waga dźwigniowa uchylna, sprężynowa, hydrauliczna, pneumatyczna).
• Wagi elektroniczne – wagi w których ważona masa oddziałuje bezpośrednio (poprzez pomost lub zawieszenie) na czujnik lub zespół elektronicznych czujników siły połączonych mechanicznie lub elektrycznie, w których wytwarza się sygnał proporcjonalny do wielkości ważonej. Wartość tego sygnału jest wskazywana przez miernik odczytowy wywzorcowany w jednostkach masy. W ostatnich latach praktycznie wszystkie konstrukcje wag opierają się na odczycie elektronicznym. Wagi mechaniczne są nadal produkowane ale w bardzo małych ilościach lub do specjalnych zastosowań. Zalety wag mechanicznych to: długowieczność i brak zasilania prądem. Wadą jest mała dokładność.
Ze względu na sposób pomiaru:
• do pomiarów statycznych (do ważenia ładunków będących w spoczynku)
• do pomiarów dynamicznych (np. do ważenia samochodów w ruchu,
kolejowe – do ważenia wagonów podczas jazdy)
Ze względu na zastosowanie (ze względu na dużą ilość rodzajów wag można wymienić tylko te najbardziej istotne):
• handlowe (kalkulacyjne), laboratoryjne, apteczne, jubilerskie, precyzyjne,
techniczne, platformowe, pomostowe, najazdowe, paletowe, płozowe,
kolejkowe, hakowe, wiszące, suwnicowe, weterynaryjne, pocztowe,
liczące, inwentarzowe, samochodowe, wagi do wyznaczania gęstości,
wagi do wyznaczania wilgotności (wagosuszarki), wagi hybrydowe,
silosowe, wagopakarki, dozujące, taśmociągowe, zbiornikowe,
etykietujące, samoobsługowe, kontrolne, wagi dla służby zdrowia
(niemowlęce, łóżkowe, krzesełkowe, osobowe), wagoskanery, wagi do
pomiaru nacisku sił na osie.
Wagi elektroniczne są to wagi, w których ciężar ważonego ładunku działa na elektroniczny czujnik siły, wytwarzając w nim proporcjonalny do ciężaru sygnał elektryczny, którego wartość wskazywana jest przez miernik elektroniczny wywzorcowany w jednostkach masy. Tensometryczne wagi elektroniczne znalazły szerokie zastosowanie jako wagi przemysłowe, włączane w układy automatycznej regulacji i kontroli procesów technologicznych z uwagi na szereg zalet, jakimi są:
- duża szybkość ważenia,
- małe wymiary gabarytowe wagi,
- możliwość rejestrowania i przekazywania na odległość wyników ważenia oraz wykorzystania sygnału pomiarowego do sterowania innymi urządzeniami,
- minimalne przemieszczenie pionowe układu pomiarowego,
- prosty montaż, wzorcowanie i kontrola.
Budowę wszystkich wag elektronicznych można przedstawić za pomocą jednego wspólnego schematu blokowego. Głównymi elementami wagi są: czujnik siły i wzmacniacz tensometryczny.
Wagi elektroniczne wykonywane są w klasie dokładności zwykłej lub średniej jako wagi pomostowe, zbiornikowe, dźwigowe lub przenośnikowe. obciążenia maksymalne tych wag wahają się od kilku kilogramów do 2 kt. Pomiar ważonej masy polega na jej umieszczeniu na pomoście wagi, który jest mechanicznie sprzężony z czujnikiem siły. Jak wiadomo na masę położoną na szalce oddziałuje siła przyciągania ziemskiego a więc wywiera ona określoną siłę na czujnik umieszczony pod szalką wagi. Ponieważ w danym miejscu siła przyciągania ziemskiego jest stała, to masa danego ciała jest wprost proporcjonalna do siły jaką wywiera ona na czujnik. Tą właściwość wykorzystuje się we wszystkich rodzajach wag. Praktycznie wagi mierzą siłę przyciągania ziemskiego działającą na ważony przedmiot a wynik jest wskazywany w jednostkach masy (np. w kilogramach). Sygnał z czujnika siły jest wzmacniany we wzmacniaczu wstępnym bloku przetwornika analogowo-cyfrowego (rys.15) i w postaci cyfrowej trafia do cyfrowej jednostki arytmetyczno– logicznej, gdzie następuje przekształcenie wyniku ważenia na postać cyfrową (wyświetlacz). Obecnie większość wag posiada bardzo dużo dodatkowych funkcji np. liczenie elementów, wprowadzanie przelicznika cenowego, funkcje tworzenia receptur itp. Wagi o większych nośnościach wymagają zastosowania wielu czujników siły oraz sumatora sygnałów ale ich schemat blokowy nie ulega zmianie. Na standardowym wyposażeniu współczesnych wag znajduje się również interfejs komputerowy (najczęściej RS232). Nośność wagi podaje się zawsze w jednostkach masy Nowoczesne wagi mają wbudowane opcje przeliczania na inne jednostki masy (np. karaty, uncje, funty itp.) lub siły (N, kN). Nośność czujników stosowanych w wagach podaje się w jednostkach masy. Rzadko występują oznaczenia nośności w jednostkach siły.
Charakterystycznym przykładem zastosowania mostka tensometrycznego jest produkcja czujników siły stosowanych w różnego typu wagach elektronicznych (zwanych też potocznie belkami tensometrycznymi lub przetwornikami tensometrycznymi). Korpus czujnika jest wykonany z metalu a jego kształt jest dobrany w taki sposób aby przenosił tylko wybrany zazwyczaj jednokierunkowy rodzaj naprężeń. Na rys.9 przedstawiono typową belkę tensometryczną firmy HBM służącą do zastosowania w wadze elektronicznej platformowej.
Na rys.10 pokazano przekrój boczny takiej belki. Miejsca oznaczone 1, 2, 3 i 4 to miejsca przyklejenia tensometrów do belki, które są połączone w mostek tensometryczny. Schemat połączenia pokazano na rys.11.
Sposób połączenia tensometrów wynika ze sposobu odkształceń sprężystych, jakie występują podczas obciążenia belki. Podczas jej obciążania siłą F tensometry 2 i 4 są ściskane a tensometry 1 i 3 rozciągane. Jak widać znajdują się one w miejscach o najmniejszym przekroju – są to przekroje w których belka ugina się przy obciążeniu (przewężenie oznaczone na rysunku jako przekrój A-A). Kształt belki oraz wyfrezowane otwory w korpusie belki zapewniają dokładnie w tych miejscach jednokierunkowy i jednorodny rozkład naprężeń oraz największe odkształcenie. Wycięcia oznaczone na rysunku symbolem w służą do wyeliminowania wpływu śrub mocujących na wskazania. Wyfrezowanie otworów powoduje również większą wytrzymałość belki na momenty skręcające powstające przy niewspółśrodkowym obciążeniu pomostu. Belki tego typu mogą służyć do podparcia platformy wagi (nawet o znacznych rozmiarach) na jednym takim czujniku. Przez dobór wartości pola przekroju pod tensometrami, dobór kształtu otworów oraz materiału belki otrzymuje się odpowiednią nośność belki, charakterystykę i czułość. Należy zastosować odpowiednie tensometry i technologię klejenia. Stosuje się również wiele sposobów kompensacji wpływu temperatury.
Dobrze zaprojektowany czujnik siły powinien charakteryzować się następującymi cechami:
- liniowością charakterystyki,
- dokładnością i powtarzalnością pomiarów,
- odpornością na zmiany temperatury i wilgotności.
Do wag elektronicznych stosuje się wiele rodzajów czujników tensometrycznych. Ich działanie wynika z tensometrycznego pomiaru odkształceń takich elementów jak belka (zginanie, ścinanie), pierścień, tuleja lub kolumna (ściskanie).
Zasadniczo można tu wyróżnić trzy rodzaje czujników (rys.14): belkowe, okrągłe i s-kształtne. Nowością ostatnich lat jest zastosowanie tzw. czujników zintegrowanych (inteligentnych) czyli czujników ze wzmacniaczem w jednej obudowie. Na wyjściu takiego czujnika otrzymujemy sygnał analogowy lub cyfrowy. Najnowsze trendy to czujniki z wyjściem w postaci interfejsu RS 485 zapewniającego transmisję pomiaru na duże odległości bez pogorszenia jakości.
Wzmacniacze tensometryczne – schemat i zasada działania
Wykorzystują zmianę oporu indukcyjnego. Przykładowy czujnik (rys.17) składa się z cewki z rdzeniem ferromagnetycznym 1, zwory 2, oraz ze stalowej obudowy sprężynującej z pierścieniowymi żeberkami 3. Wykorzystano w nim zjawisko dużych zmian indukcyjności cewki i rdzenia przy niewielkich zmianach szczeliny s na skutek nacisku na zworę magnetyczną 2.
Czujniki magnetoelektryczne
Bardziej dokładne, stosowane w wagach wysokiej dokładności. Zasada działania: ważona masa ciała jest zawieszona w polu magnetycznym, wytworzonym zwykle przez elektromagnes i magnes stały, a pomiar masy odbywa się metodą pośrednią przez pomiar zmian natężenia prądu zasilającego elektromagnes.
Szalka wagi (rys.18) jest zawieszona w polu magnetycznym wytworzonym przez cewkę L znajdującą się we wnętrzu pierścieniowego magnesu trwałego (Mt). Po zmianie obciążenia następuje zakłócenie tego stanu i szalka dąży do zmiany położenia równowagi. Powoduje to przemieszczenie przesłonki w czujniku pojemnościowym. Sygnał z czujnika po wzmocnieniu powoduje powstanie prądu kompensacyjnego w uzwojeniu selenoidu i układ wraca ponownie do położenia równowagi. Natężenie prądu kompensacyjnego jest więc funkcją ważonej masy.
Czujniki magnetosprężyste (pressduktorowe)
Zalety: możliwość pomiaru bardzo dużych mas, prosta konstrukcja, małe wymiary gabarytowe, duża odporność na niekorzystne warunki pracy (zanieczyszczenia, wilgotność, temperaturę), elektryczny sygnał wyjściowy (o stosunkowo dużej wartości), odporność na przeciążenie.
Zasada działania (rys.19): czujnik składa się z pakietu blach (1) transformatorowych z symetrycznie wykonanymi czterema otworami, w których umieszczone są dwa uzwojenia, skrzyżowane wzajemnie pod kątem prostym. Uzwojenie pierwotne (2) zasilane jest prądem zmiennym. Jeżeli na czujnik działa siła ściskająca F, to na skutek sprężystego odkształcenia pakietu zmienia się przenikalność magnetyczna (zmniejsza się w kierunku działania siły, a zwiększa w kierunku poprzecznym), przez co w uzwojeniu wtórnym (3) zaindukuje się napięcie proporcjonalne do działającej siły. Uzyskiwane z czujnika napięcie z uwagi na stosunkowo dużą wartość nie wymaga wzmocnienia. Cechą charakterystyczną czujnika jest jego niewrażliwość na zakłócające pola zewnętrzne, co wynika z niskiej impedancji czujnika.
Czujniki pojemnościowe
Zasada działania - wartość masy wpływa na zmianę pojemności. Jednym z rozwiązań jest połączenie belek czujników tensometrycznych (część mechaniczna) z czujnikiem pojemnościowym (część elektryczna). Takie rozwiązanie zastosowała niemiecka firma RHEWA w mniej dokładnych wagach (rys.20).
Wady – mała dokładność, mała odporność na wilgoć i zanieczyszczenia,
Wszystkie przedstawione powyżej przetworniki siły wykorzystują pomiar przesunięcia. W specjalnych wykonaniach mogą więc też służyć jako czujniki przemieszczeń (analogowe czujniki drogi)
10
lukasz_00