Využitie váh a vážiacich systémov v priemyselnej praxi (6)

V šiestom pokračovaní si opíšeme základné princípy zisťovania hmotnosti a konštrukciu váh.
Využitie váh a vážiacich systémov v priemyselnej praxi (6)

Váhy sa skladajú z minimálne troch základných častí:

  1. nosiča zaťaženia (váhový most, váhová plošina a pod.),
  2. snímača zaťaženia,
  3. zobrazovacej jednotky (váhový indikátor/terminál, prevodník a pod.).

Nosič zaťaženia

Mechanické vlastnosti nosiča zaťaženia majú veľký vplyv na kvalitu váhy aj váženia samotného. Pri konštrukcii váh je mimoriadne dôležitá tuhosť konštrukcie. V zásade platí, že čím je konštrukcia tuhšia, tým je váha odolnejšia a lepšie prenáša vplyv zaťaženia na snímač. Zároveň je predpokladom splnenia metrologických požiadaviek na váhy.

Nosič zaťaženia je mechanicky konštruovaný tak, aby bolo možné na čo najvhodnejšom mieste mechanicky osadiť snímač (alebo snímače) zaťaženia, ktorý je pripojený k vyhodnocovacej jednotke. Tá potom pomocou prevodníka a programu mení nameranú veličinu (napätie alebo prúd) na jednotky hmotnosti (g, kg, t). Pokiaľ je vybavená displejom, zobrazí namerané údaje, prípadne ich odošle na pripojené periférie.

Hmotnosť je vlastnosť, resp. miera vlastnosti všetkých objektov prejavujúca sa kladením odporu proti zmenám svojho pohybového stavu (teda zotrvačnosťou) a vzájomným pôsobením s ostatnými telesami (teda gravitáciou). Pri vážení porovnávame silu vyvolanú telesom známej hmotnosti (etalónovým závažím) so silou vyvolanou telesom neznámej hmotnosti. Hmotnosť je jedna zo základných fyzikálnych veličín SI.

Spôsoby váženia

Mechanická rovnoramenná váha parí k základným spôsobom, akým sa v minulosti zisťovala hmotnosť. Na jednu stranu váhy sa položil vážený predmet a na druhú závažia (etalóny), ktorými sa vyvažovalo bremeno neznámej hmotnosti, pokiaľ nenastala rovnováha medzi oboma miskami.

Časom sa konštrukcia takejto mechanickej váhy mierne modifikovala (napr. pružinová váha, obr. 23), aj keď princíp ostal rovnaký.

Snímače zaťaženia

V súčasnosti sa pri meraní hmotnosti používajú snímače zaťaženia. Podľa meranej veličiny súvisiacej s pôsobením tiaže bremena ich rozdeľujeme na tenzometre (meriame výstupné napätie) a snímače s elektromagnetickou kompenzáciou, tzv. snímače EMC (meriame prúd, ktorý je potrebný na dosiahnutie rovnovážnej polohy). Najrozšírenejším spôsobom váženia je váženie pomocou tenzometrov. Oproti snímačom s technológiou EMC sú výrobné náklady pri tenzometroch podstatne nižšie. Ich ďalšou výhodou je, že konštrukcia nosiča zaťaženia je jednoduchšia.

Princíp fungovania tenzometrického snímača

Snímač zaťaženia sa skladá z troch základných častí: telesa snímača, tenzometra a Wheatstonovho mostíka. Teleso snímača má za úlohu previesť mechanické namáhanie (meranú silu) na presne definovanú deformáciu materiálu telesa snímača. Tenzometer je vodič prilepený na tenký, zvyčajne polyamidový film. Pri natiahnutí tohto nosného materiálu sa natiahne aj vodič tenzometra, teda zväčší svoju dĺžku a zároveň zmenší priemer, čo má za následok zvýšenie odporu. Naopak pri kompresii sa odpor tenzometra znižuje. Zmena odporu je však veľmi malá. Preto sa snímače zapájajú do tzv. Wheatstonovho mostíka, aby sa dala zmena odporu ľahšie vyhodnotiť.

Vo váhach sa používa jeden alebo viac snímačov zaťaženia v závislosti od konštrukcie, aplikácie, spôsobu merania či hornej medze váživosti. V prípade, že je ich počet väčší ako jeden, sú zapojené do zlučovacej skrinky (tzv. junction box), kde sa signály z jednotlivých senzorov zlúčia a do váhového terminálu ide cez prepojovací kábel jeden zlúčený signál, ktorý sa následne vyhodnotí.

Tenzometrické snímače majú rôzny tvar, kapacitu aj materiálové vyhotovenie. Podľa tvaru môžu byť ohybové, tlakové, ťahové a pod. Podľa materiálu bývajú z ocele, nehrdzavejúcej ocele, hliníka a pod. Kapacita snímačov sa pohybuje od niekoľko gramov do stoviek ton. Pre predstavu uvedieme niektoré príklady snímačov zaťaženia.

Kvalita samotného meracieho bloku (meriame deformáciu, ktorá je ekvivalentom pôsobiacej hmotnosti) má vplyv na životnosť snímača. Merací blok je najčastejšie vyrobený z odolného materiálu (napr. nehrdzavejúcej ocele). Pri lacnejších variantoch je nehrdzavejúca oceľ nahradená hliníkovou zliatinou. Výrobcovia kladú veľký dôraz na výber materiálu krycieho plášťa. Snímač býva často vystavený vplyvom okolia (spôsob čistenia, kyslé/zásadité prostredie a pod.), preto je výber materiálového vyhotovenia v závislosti od aplikácie dôležitý.

Niektorí výrobcovia dopĺňajú A/D (analógovo-digitálny) prevodník už na samotný snímač zaťaženia. Tým sa namiesto merania úrovne výstupného napätia do váhového terminálu prenáša digitálna informácia o hmotnosti. To má za následok zníženie rizika rušenia z okolitého prostredia.

Výhodou digitálneho typu snímača je, že v prípade poruchy sa informácia o nej prenesie do váhového terminálu a tam možno určiť, ktorý snímač vykazuje chybu a akú chybu. Zároveň môže servisná organizácia pomocou diagnostických nástrojov diagnostikovať aj príčinu jej vzniku.

Ohybové snímače majú široké využitie. Najčastejšie aplikácie sú v plošinových váhach, zásobníkoch, pásových váhach a pod. Záťaž aplikovaná na snímač spôsobí ohyb nosníka. Ako vidno z obrázka, využíva sa tu vplyv krútiaceho momentu, ktorý deformuje teleso snímača a pomocou mostíkového obvodu sa meria deformácia.

Tento druh snímačov sa delí na dve podkategórie, a to na snímače tlaku a snímače ťahu (na obr. 27 je snímač tlaku). Ich použitie je najčastejšie v zásobníkoch, v prípade snímačov ťahu v závesných váhach alebo zavesených zásobníkoch. Tenzometrické snímače majú široké využitie a vyrábajú sa ich milióny. Majú však svoje limity. Hlavným z nich je presnosť, ktorú možno pri ich aplikácii dosiahnuť. Práve preto bol vyvinutý iný princíp merania pôsobiacej sily, a to pomocou permanentného magnetu, cievky a optočlena. Pomocou týchto prvkov sme schopní merať hmotnosť z vyššou presnosťou aj rýchlosťou.

Pôvodne bola konštrukcia snímača EMC zložená z viacerých prvkov a rôznych materiálov. Prax však ukázala, že použitie rôznych materiálov malo za následok rozdielnu teplotnú rozťažnosť a to spôsobovalo uvoľňovanie a stratu metrologických parametrov. Preto sa dnes snímače typu EMC vyrábajú z jedného kusu materiálu (napr. hliníkovej zliatiny).

Ako funguje váhový systém s elektromagnetickou kompenzáciou?

Hmotnosť navažovanej vzorky je kompenzovaná magnetickou silou cievky, cez ktorú preteká prúd. Optický snímač polohy deteguje, že páka sa posunula z polohy rovnováhy. Páka je pripojená k cievke, cez ktorú preteká prúd. Táto cievka sa nachádza v poli permanentného magnetu. Cievka je nastavená tak, aby sa páka vrátila do polohy rovnovážneho zaťaženia. Prúd pretekajúci cievkou sa prenáša ako signál, ktorý sa vyhodnocuje ako odpočet hmotnosti (obr. 29).

Váhy s technológiou EMC majú na rozdiel od tenzometrických váh možnosť osadenia interného kalibračného závažia. Táto funkcia umožňuje vykonať justáž (nastavenie) váhy bez použitia externého referenčného etalónového závažia. Výhodnou vlastnosťou tejto technológie je odolnosťou proti preťaženiu a zároveň dosahovanie vysokej presnosti. Princíp EMC umožňuje merať s presnosťou až na 0,0001 mg.

Váhový indikátor (terminál)

Tak ako sme na začiatku písali, váhový systém sa skladá minimálne z troch hlavných častí. Poslednou, nie však zanedbateľnou je váhový indikátor tiež nazývaný terminál. Ten slúži predovšetkým na prevod nameranej veličiny do digitálnej formy a na zobrazenie či spracovanie tohto merania.

Najčastejšie sa v praxi používajú váhy vybavené indikátorom s displejom. Používateľ vie priamo z displeja odčítať výsledok merania. Terminály sú zvyčajne vybavené softvérmi pre rôzne aplikácie, napríklad na počítanie kusov, limitné váženie, vyraďovanie, dávkovanie. Údaj z indikátora sa môže prenášať na ďalšie zariadenia, do PC alebo tlačiarne. Vyhotovenie vonkajšieho housingu váhových terminálov je rôzne. Pri výbere treba zohľadniť prostredie, v ktorom sa bude váha používať, spôsob jej čistenia, to, kto ju bude používať a aký materiál sa na nej bude vážiť.

Váha ako základný prostriedok na meranie hmotnosti, ktorý ovplyvňuje ekonomiku a kvalitu v podnikoch, vyžaduje pravidelnú starostlivosť. Na správne fungovanie váhy je nevyhnutná pravidelná údržba a kontrola správnosti merania.

Marek Kirsch
ScaleTech s.r.o.

Katarína Surmíková Tatranská, MBA
ktatranska@libra-vahy.sk

Únia váharov SR
www.uniavaharov.sk