Wpływ siły bocznej na czujniki wagowe typu mostkowego i kolumnowego oraz różnice w ich scenariuszach użytkowania
W rzeczywistej eksploatacji systemów wagowych, czujniki nie tylko znoszą obciążenia wagowe osiowe prostopadłe do powierzchni nośnej, ale także często mierzą się z zakłóceniami siły bocznej wzdłuż kierunku poziomego lub ukośnego. Jako obciążenie nie docelowe, siła boczna zakłóca idealny stan obciążenia czujnika, prowadząc do zmniejszenia dokładności pomiaru, a nawet uszkodzenia sprzętu. Ze względu na nieodłączne różnice w konstrukcji i zasadach działania, czujniki wagowe typu mostkowego i kolumnowego mają bardzo różne zdolności tolerancji siły bocznej — co bezpośrednio definiuje ich odmienne granice w scenariuszach zastosowań. Niniejszy artykuł rozpocznie się od mechanizmu wpływu siły bocznej, porówna charakterystyki anty-siły bocznej dwóch czujników i systematycznie uporządkuje podstawowe różnice wymagań w ich scenariuszach zastosowań.
Siła boczna odnosi się do obciążenia nie docelowego, które działa na element sprężysty czujnika w kierunkach poziomych, ukośnych lub skręcających (odchylających się od kierunku siły osiowej czujnika, zwykle pionowej) podczas ważenia. Obejmuje ona głównie trzy rodzaje: nacisk/ciąg poprzeczny, siłę ścinającą i moment skręcający. Chociaż nie jest to przedmiot pomiaru przez system wagowy, siła ta jest kluczowym źródłem zakłóceń, które powoduje błędy pomiarowe.
Siła boczna jest ściśle związana z trybem pracy i stanem sprzętu w scenariuszu zastosowania. Typowe scenariusze można podzielić na trzy typy:
-
Zakłócenia dynamiczne podczas pracy
- Na przykład: gdy wózek widłowy przesuwa beczkę na platformę wagową, uderzenie poziome między beczką a platformą generuje siłę poprzeczną; gdy ramię robota chwyta materiały do ważenia, siła bezwładności ruchu ramienia tworzy ukośną siłę boczną; gdy przenośnik taśmowy transportuje materiały, przesunięcie obciążenia spowodowane przemieszczaniem się materiału przekształca się w poprzeczną siłę ścinającą.
-
Błędy instalacji i kalibracji sprzętu
- Jeśli powierzchnia montażowa czujnika nie jest pozioma (ma kąt nachylenia), obciążenie osiowe jest rozkładane na składową boczną; gdy wiele czujników jest połączonych w celu ważenia, odchylenia w rozstawie czujników lub punktach działania siły uniemożliwiają równomierne przenoszenie obciążenia osiowego, tworząc moment skręcający; podczas kalibracji, przesunięte umieszczenie ciężarów powoduje lokalny nacisk boczny.
-
Wpływ środowiska i warunków pracy
- W warsztatach z silnymi wibracjami, okresowe wibracje z pracy sprzętu są przenoszone na czujnik, tworząc poprzeczną siłę uderzeniową; podczas ważenia zbiorników mieszających lub naczyń reakcyjnych, siła odśrodkowa z obracających się materiałów wewnętrznych przekształca się w siłę boczną; zewnętrzne urządzenia wagowe (np. wagi samochodowe) narażone na silne wiatry znoszą poziomą siłę boczną od obciążeń wiatrem.
Konstrukcje czujników wagowych typu mostkowego i kolumnowego skutkują znacznymi różnicami w ich mechanizmach reakcji, przejawach błędów i ryzyku uszkodzeń w przypadku narażenia na siłę boczną. Można to przeanalizować z trzech wymiarów: struktury elementu sprężystego, rozmieszczenia tensometrów i wpływu na wydajność.
Znane również jako czujniki typu belkowego, czujniki wagowe typu mostkowego charakteryzują się podstawową strukturą "w kształcie I", "w kształcie pudełka" lub "z podwójnym otworem" belek sprężystych. Belki są połączone z platformą wagową/cokołem za pomocą zamocowanych końców po obu stronach, z tensometrami przymocowanymi do obszaru nośnego pośrodku. Tolerancja siły bocznej tej struktury wynika z dwóch podstawowych zalet:
-
Kierunkowa adaptacja sztywności konstrukcyjnejPoprzeczny moment bezwładności belki sprężystej jest znacznie większy niż jego odpowiednik osiowy, co zapewnia mu niezwykle wysoką sztywność poprzeczną. Na przykład, czujnik typu mostkowego o obciążeniu znamionowym 5t ma odporność na obciążenie poprzeczne wynoszącą 30%–50% obciążenia osiowego (tj. 1,5t–2,5t). Kiedy działa na niego siła boczna, odkształcenie poprzeczne belki sprężystej wynosi tylko 0,005 mm–0,01 mm — znacznie mniejsze niż odkształcenie 0,1 mm–0,15 mm pod obciążeniem osiowym — więc niepożądane odkształcenie jest mało prawdopodobne.
-
Kierunkowa izolacja tensometrówTensometry są przymocowane tylko do górnej i dolnej powierzchni belki sprężystej, a kierunek ich siatek czułych jest zgodny z kierunkiem osiowym. Są one wrażliwe tylko na "naprężenie rozciągające-ściskanie" spowodowane obciążeniami osiowymi. Natomiast "naprężenie ścinające" lub "naprężenie zginające" wywołane przez siły boczne (np. ścinanie poprzeczne, moment skręcający) jest prostopadłe do kierunku czułego tensometrów, więc nie może być przekształcone w ważne sygnały elektryczne. Zatem wpływ błędu siły bocznej na czujniki typu mostkowego jest zwykle kontrolowany w granicach 0,1% FS (pełnej skali), a niektóre modele o wysokiej precyzji mogą nawet zmniejszyć to do 0,05% FS.
Należy zauważyć, że jeśli siła boczna przekroczy limit odporności na obciążenie czujnika typu mostkowego (zwykle 50% obciążenia osiowego), belka sprężysta może ulec trwałemu odkształceniu zginającemu. Objawia się to zwiększonym dryftem zerowym czujnika (przekraczającym 0,02% FS/°C) i zmniejszoną liniowością, co skutkuje nieodwracalną utratą dokładności pomiaru.
Element sprężysty czujnika wagowego typu kolumnowego ma strukturę cylindryczną lub ściętą stożkowo, z tensometrami równomiernie przymocowanymi wzdłuż kierunku obwodowego boku cylindra (zazwyczaj 4 lub 8 sztuk, tworząc pełny obwód pomiarowy mostka). Pod wpływem siły generuje naprężenie poprzez osiowe ściskanie cylindra. Podstawową wadą tej struktury jest jej "jednolitość sztywności osiowo-poprzecznej" — różnica w momencie bezwładności między osiowymi i poprzecznymi przekrojami cylindrycznego elementu sprężystego jest mała, a jego sztywność poprzeczna wynosi tylko 1/3–1/5 sztywności czujnika typu mostkowego. Siła boczna łatwo powoduje nieodwracalne odkształcenie elementu sprężystego, z następującymi konkretnymi skutkami:
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!