Pomiar siły

Przetworniki siły i przemysłowe systemy pomiarowe

Przetworniki siły służą do pomiaru obciążeń mechanicznych występujących w maszynach, konstrukcjach, narzędziach oraz procesach produkcyjnych. Pozwalają kontrolować siłę nacisku, ściskania i rozciągania, a następnie przekazać wynik do wskaźnika, rejestratora, wzmacniacza pomiarowego lub systemu automatyki.

W zależności od konstrukcji czujnika pomiar może być realizowany za pomocą technologii tensometrycznej, cienkowarstwowej albo hydraulicznej. Dobór właściwego rozwiązania zależy przede wszystkim od kierunku działania siły, jej maksymalnej wartości, sposobu montażu i wymaganego sygnału wyjściowego.

Czujniki siły stosuje się zarówno do ciągłego monitorowania procesu, jak i do wykonywania testów, kontroli jakości oraz wykrywania przeciążenia.

Przetworniki siły nacisku

Przetworniki siły nacisku mierzą obciążenia działające w jednym kierunku – ściskającym. Stosuje się je w prasach, systemach docisku, maszynach montażowych, stanowiskach kontrolnych oraz urządzeniach do testowania komponentów.

Kompaktowe modele, takie jak WIKA F1821, mogą być montowane bezpośrednio pod elementem wywierającym nacisk. Przy ich instalacji ważne jest osiowe wprowadzenie siły oraz równomierne podparcie czujnika. Obciążenie boczne, niewłaściwa powierzchnia montażowa lub przekroczenie dopuszczalnej siły mogą pogorszyć dokładność pomiaru albo uszkodzić przetwornik.

Przetworniki sił ściskających i rozciągających

Przetworniki ściskająco-rozciągające umożliwiają pomiar siły działającej w obu kierunkach. W tej grupie znajdują się między innymi czujniki typu S oraz modele montowane za pomocą gwintowanych zakończeń.

Są wykorzystywane w:
stanowiskach do prób wytrzymałościowych,

• testach rozciągania i ściskania,
• układach napinania,
• kontroli siły podczas nitowania i łączenia,
• maszynach montażowych,
• systemach badania komponentów,
• aplikacjach laboratoryjnych.

Serie F2808, F2812, F2802, F2301 i F2822 obejmują rozwiązania przeznaczone zarówno do niewielkich sił wyrażanych w niutonach, jak i dużych obciążeń przemysłowych liczonych w kiloniutonach.

Pierścieniowe przetworniki siły

Pierścieniowe przetworniki siły mają centralny otwór, przez który można przeprowadzić śrubę, trzpień, wał lub inny element konstrukcyjny. Dzięki temu nadają się do pomiaru sił osiowych bez konieczności znacznej przebudowy układu mechanicznego.

Modele WIKA F6804 mogą być wykorzystywane do:

• kontroli siły zacisku,
• pomiaru naprężenia śrub,
• monitorowania połączeń mechanicznych,
• kontroli siły łączenia,
• nadzorowania obciążeń osiowych,
• pomiarów w ograniczonej przestrzeni montażowej.

Przy doborze czujnika pierścieniowego należy sprawdzić nie tylko zakres siły, ale również średnicę otworu, wymiary zewnętrzne oraz sposób przenoszenia obciążenia.

Hydrauliczne przetworniki siły

Hydrauliczne przetworniki siły wykorzystują zmianę ciśnienia cieczy wywołaną działającym obciążeniem. Wybrane modele pozwalają na lokalny odczyt siły bez doprowadzania zewnętrznego napięcia zasilającego.

Konstrukcje F1106 są przeznaczone do pomiaru siły nacisku, natomiast pierścieniowe modele F6116 umożliwiają montaż wokół śruby, trzpienia lub innego elementu konstrukcyjnego. Dostępne są wersje z mechanicznym albo cyfrowym wskazaniem wyniku.

Hydrauliczne czujniki siły stosuje się między innymi w:

• budowie maszyn i przyrządów,
• systemach mocowania,
• urządzeniach kontrolnych,
• stanowiskach kalibracyjnych,
• aplikacjach bez dostępu do zewnętrznego zasilania,
• układach narażonych na wstrząsy i zmienne warunki pracy.

Rozwiązania specjalne do pomiaru siły

Nie każda aplikacja może zostać zrealizowana za pomocą standardowego czujnika tensometrycznego. W pomiarach specjalnych znaczenie mogą mieć nietypowe wymiary, ograniczona przestrzeń montażowa, sposób wprowadzenia obciążenia albo konieczność wykonania kompletnego testu.

W tej grupie znajdują się między innymi rozwiązania do kontroli urządzeń transportu bliskiego oraz testowania sprzęgieł wciągników łańcuchowych. Przykładem jest tester sprzęgieł WIKA FRKPS, przeznaczony do sprawdzania i kalibracji sprzęgieł ciernych bez stosowania tradycyjnych obciążników.

Gdzie stosuje się pomiar siły?

Systemy pomiaru siły wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie wartość obciążenia wpływa na jakość produktu, bezpieczeństwo maszyny albo powtarzalność procesu.

Najczęstsze zastosowania obejmują:

• prasy przemysłowe,
• systemy docisku i zacisku,
• maszyny montażowe,
• linie produkcyjne,
• stanowiska testowe,
• kontrolę jakości,
• testy materiałowe i wytrzymałościowe,
• monitorowanie obciążeń konstrukcji,
• kontrolę nitowania i łączenia,
• pomiar naprężenia śrub,
• zabezpieczenie przed przeciążeniem,
• aplikacje laboratoryjne,
• urządzenia transportu bliskiego.

Pomiar może być wykorzystywany do bieżącego sterowania procesem, zatrzymania maszyny po przekroczeniu progu, rejestracji wartości maksymalnej albo porównania wyniku z ustaloną tolerancją.

Jak dobrać przetwornik siły?

Pierwszym kryterium jest kierunek działania obciążenia. Do samego nacisku wystarczy przetwornik siły ściskającej. Jeżeli w aplikacji występuje również rozciąganie, należy zastosować czujnik dwukierunkowy.

Podczas doboru trzeba uwzględnić:

1. maksymalną wartość mierzonej siły,
2. odpowiednią rezerwę na przeciążenia,
3. obciążenie statyczne lub dynamiczne,
4. kierunek działania siły,
5. możliwość występowania sił bocznych,
6. sposób i miejsce montażu,
7. dostępną przestrzeń,
8. wymaganą dokładność i powtarzalność,
9. temperaturę i warunki środowiskowe,
10. wymagany stopień ochrony IP,
11. częstotliwość wykonywania pomiaru,
12. rodzaj sygnału wyjściowego,
13. sposób integracji z automatyką.

Zakres nominalny nie powinien być równy maksymalnej przewidywanej sile procesu. Należy pozostawić rezerwę uwzględniającą chwilowe przeciążenia, uderzenia oraz niekontrolowane skoki obciążenia. Wielkość rezerwy powinna zależeć od dynamiki konkretnej aplikacji.

Równie istotny jest prawidłowy montaż. Siła powinna działać zgodnie z osią pomiarową czujnika. Obciążenia boczne, momenty skręcające i nierównomierne podparcie mogą powodować błędy oraz skrócić trwałość urządzenia.

Jak podłączyć przetwornik siły do PLC?

Sposób integracji zależy od sygnału wyjściowego czujnika.

Przetworniki tensometryczne z sygnałem mV/V wymagają stabilnego napięcia zasilającego oraz wzmacniacza, przetwornika pomiarowego albo dedykowanego modułu tensometrycznego. Sygnału mV/V zazwyczaj nie podłącza się bezpośrednio do standardowego wejścia analogowego PLC.

Modele ze zintegrowanym wzmacniaczem, na przykład wybrane przetworniki F2301 z wyjściem 4–20 mA, mogą zostać podłączone do odpowiedniego wejścia analogowego sterownika. Sygnał prądowy jest wygodny w instalacjach przemysłowych i bardziej odporny na zakłócenia przy dłuższych przewodach.

Przed podłączeniem należy sprawdzić:

• rodzaj i zakres sygnału,
• wymagane napięcie zasilania,
• schemat przewodów,
• obciążenie wejścia analogowego,
• sposób skalowania wartości w PLC,
• konieczność wykonania kalibracji punktu zerowego i zakresu.

Pomiar siły a pomiar masy

Pomiar siły określa nacisk, rozciąganie albo inne obciążenie mechaniczne i jest podawany przede wszystkim w niutonach lub kiloniutonach. Pomiar masy służy natomiast do określania ilości materiału lub ciężaru produktu, najczęściej w gramach, kilogramach albo tonach.

Jeżeli celem aplikacji jest kontrola prasy, siły docisku, naprężenia śruby albo wytrzymałości elementu, należy zastosować przetwornik siły. Do ważenia platform, zbiorników, silosów i produktów przeznaczone są systemy wagowe wykorzystujące odpowiednio dobrane czujniki wagowe.

FAQ – pomiar siły

Czym jest przetwornik siły?

Przetwornik siły jest urządzeniem, które reaguje na obciążenie mechaniczne i przekształca je w sygnał elektryczny, hydrauliczny albo wskazanie możliwe do odczytu i dalszego wykorzystania.

Jaki czujnik wybrać do pomiaru nacisku?

Do pomiaru siły działającej wyłącznie w kierunku ściskającym należy zastosować przetwornik siły nacisku. Trzeba dobrać zakres, sposób montażu i odporność na przeciążenie do konkretnej aplikacji.

Kiedy potrzebny jest czujnik ściskająco-rozciągający?

Taki czujnik jest potrzebny, gdy siła może działać w dwóch kierunkach, na przykład podczas prób wytrzymałościowych, napinania, odciągania, wciskania i wyciągania elementów.

Jak dobrać zakres pomiarowy przetwornika siły?

Zakres powinien być większy od maksymalnej siły występującej w procesie. Należy uwzględnić rezerwę na przeciążenia dynamiczne, uderzenia oraz chwilowe skoki obciążenia.

Czy przetwornik siły można podłączyć bezpośrednio do PLC?

Model z wyjściem 4–20 mA lub innym standardowym sygnałem analogowym można podłączyć do zgodnego wejścia PLC. Czujniki z sygnałem mV/V wymagają dodatkowego wzmacniacza albo modułu tensometrycznego.

Czym różni się przetwornik hydrauliczny od tensometrycznego?

Przetwornik tensometryczny generuje sygnał elektryczny zależny od odkształcenia elementu pomiarowego. Przetwornik hydrauliczny wykorzystuje zmianę ciśnienia cieczy i może umożliwiać lokalny odczyt bez zewnętrznego zasilania.

Do czego służy pierścieniowy przetwornik siły?

Czujnik pierścieniowy służy do pomiaru obciążenia osiowego wokół śruby, trzpienia lub wału. Stosuje się go między innymi do kontroli siły zacisku i naprężenia połączeń.

Czym różni się pomiar siły od pomiaru masy?

Siła jest wielkością mechaniczną wyrażaną w N lub kN. Masa określa ilość materii i jest podawana w g, kg lub t. Chociaż oba pomiary mogą wykorzystywać podobne technologie, wymagają innego doboru czujnika i sposobu kalibracji.