Montaż przetworników siły

Transkrypt

1 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.

2 W tym przypadku siły, które mają być mierzone F in, są przyłożone do przetwornika pod kątem oznaczonym α. Wektor przyłożonej siły jest następnie rozłożony na dwie składowe F Z i F X. 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 %.

3 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.

4 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%

5 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

6 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 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.

7 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.

8 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. "