Montaż przetworników siły

Montaż przetworników siły
Przetworniki siły osiągnęły w ostatnich latach wysoki standard techniczny. Przetworniki
osiągają część swojej wysokiej dokładności ze względu na udoskonalone możliwości
kalibracji. W bardzo wielu przypadkach przetwornik siły, w przeciwieństwie na przykład
do przetworników wagi, nie może być kalibrowany w miejscu aplikacji. Aby osiągnąć
dobre i wiarygodne wyniki pomiarów, ważne jest, aby zbliżyć w momencie kalibracji tak
blisko, jak to tylko możliwe do sposobu instalacji przetwornika w praktycznym stosowaniu
i aby umożliwić wystąpienie jedynie odchyleń w ramach obowiązujących warunków
technicznych.
Dokładność pomiaru przetwornika siły zależy w dużym stopniu od sytuacji montażowej.
Niekorzystne sytuacje instalacyjne mają niekorzystny wpływ na dokładność pomiaru, ale
również na właściwości dynamiczne łańcucha pomiarowego, i podatność na wpływ pól
elektromagnetycznych .
1 . Wpływ kierunku siły
a. Ukośne przyłożenie siły
Instrukcje obsługi dla przetworników siły, na przykład typu C2 firmy HBM, wymagają,
aby " ... siły działające na przetworniki siły powinny być wywierane dokładnie
w kierunku pomiarowym, jeśli to możliwe . "
Istnieje do tego wiele powodów. Pierwszy, systematyczny błąd pomiaru powstaje,
ponieważ przetwornik siły mierzy jedynie siły w kierunku pomiaru. Siły działające pod
kątem do kierunku pomiaru kompensują się w znacznym stopniu, ponieważ siły boczne
nie są na ogół przedmiotem pomiaru.
W tym przypadku siły, które mają być mierzone Fin, są przyłożone do przetwornika pod
kątem oznaczonym α . Wektor przyłożonej siły jest następnie rozłożony na dwie
składowe FZ i FX. Tylko siłę działającą w kierunku Z, która jest mniejsza od przyłożonej
siły mierzy się czujnikiem.
Zgodnie ze wzorem :
Fz = Fin cos( α )
Wynik pomiaru jest zmniejszony o współczynnik cos ( α ).
Ponadto w tych przypadkach jest wywierana siła boczna , która może być obliczana
według poniższego wzoru
Fx = Fin sin( α )
Błąd pomiaru występujący gdy siła jest przykładana pod kątem do pięciu stopni opisano
poniżej:
1 ° = 0,015 %
2 ° = 0,06 %
3 ° = 0,14 %
4 ° = 0,24 %
5 ° = 0,38 %
Dla porównania: największy indywidualny błąd w nowoczesnych przetwornikach siły
( S9M , S2M ) wynosi 0,02 % .
2 . Wpływ sił poprzecznych, momentów zginających i momentu
obrotowego
a. siły poprzeczne
Siły poprzeczne to siły, które są przykładane prostopadle do
kierunku pomiarowego przetwornika. Niemiecka norma
VDI/VDE2638 odnosi się do siły, która działa na punkt
przyłożenia obciążenia.
Siły boczne powstają na przykład z powodu masy własnej
adapterów albo z powodu tego, iż obciążenia są przyłożone pod
kątem. Generalnie siła boczna zawsze wywołuje moment
zginający, rzadko siła poprzeczna działa na wysokości instalacji
tensometrów (SG). W zależności od czułości poprzecznej przetwornika, generowany jest
dodatkowy błąd. Błąd ten mieści się w ramach 1 % siły działającej w kierunku
pomiarowym ( Fz) dla większości przetworników, jeśli występująca siła boczna stanowi
10% Fz .
b. momenty zginające
Poważne błędy w kącie przyłożenia siły mogą zniszczyć przetwornik. Moment zginający
często nakłada się na rzeczywistą siłę, która w praktyce jest mierzona.
Szkic powyżej przedstawia sytuację. Dodatkowo do przykładanej
siły, przetwornik jest obciążany również przez moment zginający.
Moment zginający może powstawać na przykład poprzez siłę
boczną przyłożoną w miejscu, gdzie jest wprowadzone
obciążenie, z powodu wewnętrznego ciężaru części, które stosuje
się do wprowadzenia siły, gdy przetwornik siły jest zamontowany
poziomo. Nie centryczny punkt przyłożenia obciążenia może
również generować moment zginający.
W tym przypadku moment obrotowy ( który obraca się na tym szkicu zgodnie
z kierunkiem wskazówek zegara ) łagodzi obciążenie przetwornika po lewej i obciąża go
po prawej stronie. Obrotowo- symetryczne przetworniki siły ( C2, U2B lub U10M ) są
szczególnie niewrażliwe na momenty zginające, ponieważ kompensują je przy użyciu
wielu punktów pomiarowych rozmieszczonych na obwodzie. Przetworniki siły U10M
i U10S posiadają równoważenie momentu zginającego, które zmniejsza jego wpływ do
0,01 %. Ta cecha sprawia, że z nich, sprawia że gdy poszczególne punkty pomiarowe łączą
się, wynik wygenerowany jest zawsze wartością średnią.
Niezależnie od tego, duży moment zginający może zniszczyć przetwornik siły. Ważne jest,
aby pamiętać, że jak wspomniano powyżej, moment gnący nie jest wyświetlany.
Należy pamiętać również, że w wielu przypadkach momenty zginające przynoszą ze sobą
również siły boczne, które powodują dodatkowe obciążenie przetwornika. Należy również
zwrócić uwagę na poniższe szkice .
Moment zginający jest generowany po lewej stronie , gdyż obciążenie działa mimośrodowo.
W tym przypadku nie ma żadnej siły bocznej.
Moment zginający jest generowany po lewej stronie, gdyż masa rzeczywista zastosowanej
konstrukcji do przyłożenia obciążenia tworzy dźwignię. Odległością od środka ciężkości
tego elementu do przetwornika siły, jest długość dźwigni. Masa jest przekształcana w siłę
w tym najprostszym przypadku. Moment siły uzyskuje się, mnożąc wartość przyłożonej
siły razy ramię dźwigni. Ponadto, siła ciężkości działa na przetwornik jako siła
poprzeczna. Oba wpływy muszą być brane pod uwagę.
c . moment obrotowy
Przetworniki siły zaprojektowane dla obciążeń ściskających i rozciągających
wyposażone są w gwinty wewnętrzne ( S9M , S2M , U10M ) lub
króćce gwintowane ( U15 , Z4 , U2B ). Podczas montażu
przetwornika ważne jest, aby połączenia śrubowe były
zabezpieczone przed odkręceniem za pomocą odpowiedniego
momentu obrotowego. Maksymalny moment obrotowy jest
często przekraczany podczas montażu. Uwaga: Montaż,
/blokowanie połączeń śrubowych należy przeprowadzić tak, by
moment obrotowy nie był przykładany do przetwornika. Należy
wziąć pod uwagę maksymalny moment obrotowy, by zapobiec
trwałemu uszkodzeniu przetwornika, co ma miejsce jeżeli wartość
graniczna zostanie przekroczona.
Podczas działania, momentu obrotowy jest w dużej mierze kompensowany przez geometrię
korpusu przetwornika i miejsca instalacji tensometrów.
d . Interakcje wszystkich momentów zginających, obrotowych i siły
poprzecznej
Maksymalne obciążenia graniczne należy zawsze rozumieć jako wskazanie, że czujnik,
przy obciążeniu znamionową siła, może być również obciążony jednym z czynników
pasożytniczych. Jeśli kilka efektów działa jednocześnie na przetwornik siły, może dojść do:
Kilka elementów działających jednocześnie na najwyższych dopuszczalnych
wartościach zniszczy przetwornik.
Jeżeli liczne czynniki działają na przetwornik równocześnie, składniki te mogą być
dodawane. Całkowita suma nie może przekraczać 100%. Przykład: 50 %
dopuszczalnego momentu obrotowego, 40 % dopuszczalnego momentu zginającego
do 10 % dopuszczalnej siły bocznej. Wtedy przetwornik siły jest maksymalnie
obciążony, a suma jest równa 100%
3 . Przetworniki siły pracujące na rozciąganie z wypukłym punktem
przyłożenia siły
Przetworniki tak zaprojektowane, aby były zdolne do rejestrowania siły jedynie w kierunku
nacisku, są zwykle wyposażone w wypukłe elementy przeznaczone do przyłożenia
obciążenia (tzw. grzybki).
Przyłożenie siły na grzybek może być realizowane przy pomocy akcesoriów aplikacji
obciążenia, które są dostępne dla wielu modeli przetworników siły. Obejmują one na
przykład jarzma, jak to pokazano na poniższym rysunku.
Jarzma tego typu są po prostu umieszczane w punkcie przyłożenia obciążenia . Należy
jedynie zwrócić uwagę, aby pomiędzy jarzmem a przetwornikiem siły nie znajdowały się
żadne obce elementy. Jarzmo jest tak ukształtowane, że kąt względem przetwornika może
ulegać zmianie by żadne momenty zginające lub obrotowe nie oddziaływały na
przetwornik.
Jeśli przetwornik siły jest instalowany bez tego typu jarzma, następujące wymagania
muszą być spełnione w odniesieniu do elementu, który styka się z wypukłą powierzchnią
przeznaczoną do przyłożenia siły:
HBM zaleca twardości przynajmniej 43 HRC
Detale powinny być szlifowane
Montaż musi być wykonany tak, aby pasujący element nie unosił się, a przetwornik
nie mógł tym samym zostać zniszczony wskutek uderzenia
Jeśli to możliwe pasujący element powinien mieć możliwość obrotu i posiadać
łożysko obrotowe w celu zapobiegania momentom obrotowym i momentom
zginającym.
Przetworniki siły są na ogół wmontowywane w konstrukcję w miejscu ich stosowania.
Oznacza to, że siła jest przenoszona na konstrukcję pod przetwornikiem siły. Jednakże,
poziomy montaż jest również możliwy. W tym przypadku przetwornik powinien być
sztywno połączony z konstrukcją.
W każdym przypadku, element konstrukcyjny, na którym jest zamontowany spód
przetwornika musi być zaprojektowany w taki sposób, by siły odbierane były jedynie
z niewielkim odkształceniem. Do tego celu powinna być zapewniona wystarczająca
sztywność.
Ważna jest także równość powierzchni. Maksymalna tolerowana nierówność to
0.005 mm. Równa struktura podłoża zapewnia, że przetwornik siły zostanie odkształcony
w sposób, który jest wymagany do uzyskania pełnej dokładności pomiaru określonej przez
producenta.
Struktura podłoża powinna być odporna na odkształcenia i musi mieć większą średnicę
niż średnica przetwornika siły. Struktura zbyt mocno odkształcająca się, zbyt mała
powierzchnia, albo niedokładne przyłożenie siły będzie powodować stany odkształcenia,
które nie były brane pod uwagę przy projektowaniu przetwornika. Dane techniczne
dotyczące czułości, liniowości i histerezy mogą wtedy ulec zmianie .
Istotne wymagania odnośnie powierzchni kontaktowej przetwornika siły: wystarczająca
wielkość, równość i sztywności.
4 . Przetworniki siły pracujące na rozciąganie i ściskanie z
przykręcaną aplikacją siły
"Jeśli oprócz sił ściskających będą mierzone dodatkowo siły rozciągające to wypukłe
przyłożenie obciążenia będzie oczywiście nieodpowiednie. Dla przetworników siły
pracujących na rozciąganie lub przetworników siły, które nadają się do sił rozciągających
i ściskających, elementy, które przenoszą siłę przyłożoną na sam przetwornika siły są
skręcone z przetwornikiem. Niektóre przetworniki siły, na przykład Z4A lub U2B, mają
zewnętrzny gwint na górze i wewnętrzny gwint w dolnej części. Przetworniki siły serii
U10M i U10S są wyposażone w gwint wewnętrzny po obu stronach przyłączeniowych.
Gwinty wewnętrzne są znacznie bardziej kompaktowe. Sprawia to, że ą się do
przetworników siły, które muszą być płaskie. W przypadku gwintu zewnętrznego
odległość między przyłączem śrubowym i miejscem instalacji tensometrów jest
oczywiście większa, co ma pozytywny wpływ na różne właściwości metrologiczne
( histerezę! ). Przetworniki siły dla obciążeń rozciągających i ściskających mające bardzo
wysokie wymagania dotyczące dokładności i powtarzalności na ogół mają gwint
zewnętrzny. Wewnętrzny gwint jest stosowany tylko w niekrytycznych zastosowaniach.
W przypadku gwintu wewnętrznego: dla każdego połączenia śrubowego z przetwornikiem
siły, na przetwornik siły za pomocą nakrętki musi być wywierany wystarczający nacisk
powierzchniowy. Istnieją dwa sposoby, aby to zrobić:
a . Połączenie śrubowe przy zastosowaniu siły, która jest większa niż
największa mierzona siła nacisku
Przykręcić elementy łączące do przetwornika siły z obu stron.
Obciążyć przetwornik siły ponad jego obciążenie robocze ( nie przekraczać
maksymalnych limitów obciążeń )
Ręcznie dokręcić nakrętki
Teraz siła może być odbierana przez przetwornik. Czujnik jest poprawnie
zamontowany
Dla wymaganego przeciążenia patrz instrukcja montażu.
b . Montaż z odpowiednim momentem
Wkręcić elementy łączące
Dokręcić nakrętki momentami podanymi w instrukcji montażu
Należy zauważyć, że wymagany moment dokręcania montażu nie można nigdy działać na
cały przetwornik. Jeżeli tak jest, przetwornik może zostać zniszczony. Dla przetworników
siły z gwintem zewnętrznym: podłączany element musi być unieruchomiony za pomocą
przeciwnakrętki. Wymóg ten może być wyeliminowany dla pomiaru siły czysto
statycznych. Wartości momentów są podane w instrukcjach obsługi przetworników siły.
Z4A (z prawej) jest zablokowany tylko na gwincie wewnętrznym. Blokowanie za pomocą
nakrętki jest zawsze potrzebne dla zewnętrznego gwintu, jak w przypadku U2B (po lewej).
HBM oferuje ucha z przegubem kulistym prawie dla wszystkich przetworników, które
przeznaczone są do pomiaru sił rozciągających i ściskających. Jeśli przetworniki siły są
zamocowane za pomocą co najmniej jednego ucha z przegubem kulistym, momenty
skręcające nie są przykładane do przetwornika. Jeśli stosuje się dwa ucha przegubowe,
momenty zginające i siły nie mogą być przykładane do przetwornika siły pod kątem.
Do kalibracji U10M o maksymalnej pojemności 500 kN stosuje się dwa ucha przegubowe.
Ucha z przegubem kulistym zazwyczaj nie nadają się do pomiaru sił dynamicznych,
ponieważ luz łożyska wzrasta z czasem, co może prowadzić do błędów pomiarowych.
Ponadto zakres częstotliwości, w którym można zastosować ucha przegubowe, jest
ograniczone do około 10 Hz. Dlatego do wymagań obciążeń dynamicznych polecamy
korzystanie z giętkich elementów przyłożenia siły. "