Skuteczne pomiary siły i momentu obrotowego

Przemysł, rolnictwo, laboratoria badawcze, infrastruktura i wiele innych dziedzin nie mogłoby dziś sprawnie funkcjonować bez systemów kontrolujących masę detalu i moment obrotowy. Firma WObit proponuje kompleksową ofertę czujników i modułów pomiarowych pozwalających tworzyć nowoczesne systemy automatyzacji.

Pomiar siły

W przypadku kontroli masy detalu kluczowym elementem systemów pomiarowych są tensometryczne czujniki siły popularnie nazywane tensometrami. Najszerzej stosuje się czujniki oporowe, które charakteryzują się wieloma zaletami takimi jak duża czułość i dokładność, małe wymiary, odporność na drgania i wstrząsy oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Najczęściej spotykane są gotowe czujniki w postaci tensometru foliowego przyklejonego do obudowy. W zależności od konstrukcji elementu nośnego (obudowy) czujnik taki może służyć do pomiaru małych sił w zakresach pojedynczych niutonów, jak i ogromnych sił liczonych w setkach kiloniutonów.

W ofercie WObit dostępne są czujniki siły w wersji ze wbudowaną elektroniką (wyjście 0-10 V, 4-20 mA, 0,5-2,5-4,5 V, 0,5-4,5 V lub innym indywidualnie przygotowanym wyjściem prądowym, lub napięciowym) oraz bez wbudowanej elektroniki (sygnał wyjściowy określany stałą charakterystyczną wyrażoną w mV/V). Czujnik siły ma korpus sprężynowy, najczęściej wykonany ze stali nierdzewnej lub aluminium. Do korpusu przyklejone są elementy pomiarowe, tzw. tensometry. Parametrem tensometru foliowego jest rezystancja elektryczna, która zmienia swoją wartość w wyniku zmiany mechanicznej. Siła działająca na korpus jest zatem przekształcana w zmianę oporu elektrycznego. Na korpusie sprężyny znajdują się zwykle cztery tensometry i są one połączone w mostek elektryczny (mostek Wheatstone'a, mostek tensometryczny).

WObit proponuje tensometry o bardzo szerokim zakresie pomiarowym, począwszy od poziomu 0-10 N (KM200) aż do 2000 kN. W zależności od serii, czujniki poza zakresem pomiarowym różnią się kształtem korpusu – dostępne są czujniki okrągłe (EMS30, EMS50), belkowe (KM701, KM801), a także S-kształtne (K1505, KM500). Do pomiaru obciążeń ściskających i rozciągających przeznaczone są czujniki cylindryczne (EMS150), okrągłe z wyprowadzonymi gwintami (EMS20, EMS40) oraz S-ksztaltne (KM1506, KM1603).

Urządzenia współpracujące
Do współpracy z czujnikami tensometrycznymi WObit oferuje moduły pomiarowe własnej produkcji, m.in. jednokanałowy wzmacniacz WDT11 umożliwiający pomiar siły i jej konwersję na sygnał prądowy 4-20 mA (lub napięciowy 0-10 V) oraz cyfrowy (RS485). Wbudowany interfejs RS485 z protokołem MODBUS pozwala na bezpośrednią komunikację jednego lub kilku modułów ze sterownikiem PLC czy panelem HMI. Możliwe jest podłączenie do 32 modułów na jednej magistrali.

W przypadku bardziej złożonych aplikacji warto zwrócić uwagę na moduł pomiarowy ADT42-ETH, który współpracuje z 4 tensometrycznymi czujnikami siły. Ten 4-kanałowy przetwornik umożliwia pomiary z częstotliwością do 120 pomiarów/sekundę na kanał i efektywną rozdzielczością do 19 bit. Moduł ADT42ETH jest wyposażony w port USB, Ethernet oraz RS485. Dostęp do urządzenia może odbywać się za pomocą protokołu MODBUS-TCP/IP lub MODBUS-RTU, co umożliwia bezpośrednią komunikację jednego lub kilku modułów jednocześnie ze sterownikiem PLC czy panelem HMI. Wraz z możliwością sumowania pomiarów z wybranych kanałów pozwala to na tworzenie aplikacji pomiarowych z wieloma czujnikami siły np. w systemach wagowych. Port USB służy do odczytu danych w bezpłatnej aplikacji na PC i ich wizualizację na wykresie lub zapis do pliku. ADT42ETH ma też 2 wejścia, które pozwalają na tarowanie oraz rejestrowanie pomiarów w aplikacji PC „na żądanie", a 2 wyjścia na sygnalizowanie progów pomiarowych.

Pomiar momentu

Poza pomiarem siły istotnym elementem procesów technologicznych jest kontrola momentu, do której WObit proponuje czujniki NCTE. Umożliwiają one bezstykowy statyczny oraz dynamiczny pomiar momentu ruchomej osi w obu kierunkach w czasie rzeczywistym, a także pomiar sił w wybranych punktach pomiarowych.

W czujnikach zastosowana jest technologia FAST wykorzystująca zjawisko odwrotnej magnetostrykcji. Magnetostrykcja to zjawisko powstawania odkształceń w ferromagnetykach pod wpływem pola magnetycznego. Zjawisko odwrotnej magnetostrykcji, zwane czasem efektem Villarego wykorzystuje odkształcenie się ciała pod wpływem czynników zewnętrznych oraz pomiar zmian wartości indukcji magnetycznej.

Czujniki momentu NCTE składają się z czujnika pierwotnego – stalowej osi kodowanej magnetycznie, czujnika wtórnego (czujnika pola magnetycznego) oraz elektroniki. Osie czujników NCTE nie są wykonywane z magnesów, tylko ze stali, która jest poddawana namagnesowaniu poprzez wysyłanie impulsów elektrycznych. Pozwala to bardzo dokładnie umieścić pole magnetyczne.

Moment, który działa na osie, powoduje proporcjonalne zmiany w kierunku pola magnetycznego wewnątrz osi. Wykrywane jest to poprzez wysokiej rozdzielczości pole uzwojenia umieszczonego w odległości 3 mm od osi. Do zrealizowania pomiaru różnicowego zmian niezbędne jest użycie minimum jednej pary uzwojeń. Każde uzwojenie z pary wykrywa jedno z dwóch przeciwnych pól magnetycznych. Uzwojenia umieszczone są w dodatkowej obudowie, która eliminuje wpływ zewnętrznych pól magnetycznych oraz zapewnia dodatkową ochronę. Elementy osłaniające, uzwojenie generujące pole magnetyczne oraz uchwyt uzwojeń składają się na jednostkę nazywaną czujnikiem wtórnym.

Elektronika przekształca zmiany pola magnetycznego osi na sygnał elektryczny. Standardowo czujniki NCTE dostępne są z wyjściem napięciowym (0..5 V, 0..10 V), prądowym 4..20 mA oraz typu PWM. Czujniki są dostarczane wraz z przewodami oraz klinem zabezpieczającym. Oś czujnika momentu, bezkontaktowy detektor sygnału oraz elektronika kondycjonująca sygnał są zintegrowane w obudowie czujnika.

Standardowe czujniki dostępne są w kilku zakresach pomiarowych, z przeciążalnością nawet do 50% w zależności od serii. Charakteryzują się niskim poborem prądu, wewnętrznie wzmocnionym sygnałem wyjściowym oraz długoterminową stabilnością. Najmniejszy zakres od 2,5 do 500 Nm ma seria DFM22, która dostępna jest zarówno z osią okrągłą, jak i kwadratową. Czujniki DFM22 mają sygnał wyjściowy od 0 do 5 VDC, maksymalną prędkość obrotową od 0 do 1000 obr./min oraz rozdzielczość 0,1% FS. Czujnik może pracować w temperaturze od -30 do +85°C i ma stopień ochrony IP50.

DFM30 to ekonomiczna seria czujników o wysokiej precyzji pomiarowej przeznaczona do testów laboratoryjnych i kontroli jakości. Zakres pomiarowy wynosi od 10 do 2000 Nm, przy maksymalnej prędkości obrotowej od 0 do 5000 obr./min. Mogą one pracować w temperaturze od -40 do +85°C i charakteryzują się stopniem ochrony IP50.DFM30 zasilane są napięciem 11-28 VDC i generują sygnał wyjściowy 0...10 V lub prądowy 4...20 mA.

Seria DFM40 poza dwukierunkowym pomiarem momentu obrotowego w zakresie od 50 do 1000 Nm, jednocześnie realizuje pomiar prędkości obrotowej od 0 do ≤ 10000 obr./min. Dzięki wysokiej rozdzielczości (≤ ±0,1% FS) DFM40 jest odpowiednie do zastosowań w laboratoriach, jak również do kalibracji urządzeń, gdzie służą jako element referencyjny.

DFM50 to seria, która umożliwia oddzielny pomiar momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Zakres pomiarowy wynosi od 3000 do 10000 obr./min (istnieje możliwość jego zwiększenia na specjalne życzenie) i od 0 do ≤2500 obr./min. Czujniki mają sygnał wyjściowy 0...10 V i są zasilane napięciem 9-28 VDC. Powtarzalność dla tej serii wynosi 0,1%FS. Do pomiarów momentu i kąta w trudnych warunkach, takich, jakie występują w maszynach rolniczych i leśnych, przeznaczona jest seria DFM70.

Czujniki DFM73 dostępne są w wykonaniu o stopniu ochrony IP65 (standardowo IP50) i mogą pracować w temperaturach od -40 do +85°C. Zakres pomiarowy wynosi od 0 do 3000 Nm i generuje sygnał wyjściowy 0..10 V. Opcjonalnie dla tej serii dostępne jest wyjście 4..20mA oraz interfejs CAN.

Więcej informacji o zastosowaniach i szczegółowych parametrach czujników można uzyskać pod numerem 61 22 27 422 oraz na stronie www.wobit.com.pl.