لودسل (Load cell)
لودسل ها ابزار های دقیق اندازه گیری وزن هستند. آنها تقریباً برای هر نیاز اندازه گیری بار گزینه نسبتاً کم هزینه، بادوام و با نصب آسان هستند. لودسل چندین دهه است که اندازه گیری های کیفی را در هوا فضا، کشاورزی، پزشکی، توزین صنعتی و بسیاری از کاربرد های دیگر استفاده می شود. پیشرفت های مداوم در فناوری لودسل ها، استفاده از آنها را افزایش داده است. این مقاله انواع مختلف لودسل های موجود، نوع عملکرد آنها و اینکه کدام نوع برای مصارف عمومی مختلف بهترین هستند را توضیح می دهد.
لودسل (Load cell) چیست؟
لودسل یک مبدل یا سنسور است که انرژی جنبشی یک نیرو را به یک خروجی قابل اندازه گیری مانند سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. از برخی ویژگی های فیزیکی مواد تشکیل دهنده خود برای ایجاد این خروجی قابل اندازه گیری بهره برداری می کند. قدرت خروجی متناسب با نیروی (تراکم، کشش، فشار و غیره) اعمال شده به لودسل است. سپس این داده های خروجی می توانند نمایش داده شوند، ذخیره شوند یا برای کنترل سیستم های پیچیده استفاده شوند. توجه داشته باشید که بدون این تبدیل انرژی، اندازه گیری نیرو غیرممکن است. بنابراین لودسل نقش بسیار مهمی را ایفا می کنند.
لودسل ها بیشتر در کاربرد های توزین صنعتی مانند ترازو استفاده می شوند. از آنجایی که لودسل ها می توانند نیرو ها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کنند. اغلب در سیستم های کنترلی که نیروی وارد بر یک سیستم بر رفتار آن تأثیر می گذارد نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، یک لودسل ممکن است کشش ماشینی کابل را که روی یک قرقره می‌پیچد اندازه‌گیری کند تا اطمینان حاصل شود که سیستم از یک کشش ثابت در طول فرآیند خود استفاده می‌کند. اساساً لودسل ها در سیستم هایی هستند که ماشین آلات صنعتی، دستگاه های پزشکی، بارهای هواپیما و بسیاری از کاربرد های دیگر را اندازه گیری، نظارت و اجرا می کنند.
انواع لودسل
انواع مختلفی از لود سل برای کاربردهای مختلف وجود دارد:
- لودسل های کرنش سنج (Strain Gauge Load Cells)
- لودسل های هیدرولیک (Hydraulic Load Cells)
- لودسل های پنوماتیکی (Pneumatic Load Cells)
- لودسل های بار خازنی (Capacitive Load Cells)
- لودسل های پیزوالکتریک (Piezoelectric Transducers)
لودسل های کرنش سنج (Strain Gauge Load Cells):
لودسل های کرنش سنج رایج ترین هستند. برخلاف طرح های هیدرولیک و پنوماتیکی که در زیر توضیح داده شده‌اند و تفاضل فشار را به اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند، لودسل کرنش سنج از طریق تغییر در مقاومت الکتریکی عمل می‌کند. در داخل هر لودسل کرنش سنج حداقل یک دستگاه کرنش سنج وجود دارد. کرنش سنج یک سیم نازک است که در مسیر دو سر سیم بر روی یک ماده غیر رسانا با اتصالات در دو سر سیم است. عملکرد کرنش سنج بر اساس خواص کشسانی سیم است. یعنی وقتی سیم کشیده می شود طول آن زیاد می شود و مقطع کم می شود و در صورت فشرده شدن برعکس اتفاق می افتد. در حالت کشش، مقاومت سیم افزایش می یابد، در حالی که در حالت فشرده سازی، مقاومت سیم کاهش می یابد.
لودسل های کرنش سنج این تغییر مقاومت را به اندازه گیری بار تبدیل می کنند. سیستم هایی که از این نوع لودسل ها استفاده می کنند نیروی اندازه گیری شده را به گونه ای هدایت می کنند که باعث انحراف (کشش یا فشار) در کرنش سنج ها می شود. از آنجایی که این دستگاه‌ها در شکل‌ها و اندازه های بسیار متنوع هستند، جهت‌های بار احتمالی (بر اساس کاربردهای آن) متعدد است.
اجزای لود سل سنج:
- یک پلت فرم یا سیستم بارگذاری برای اعمال نیرو، F_{load}
- یک یا چند کرنش سنج
- منبع ولتاژ تحریک
- سیم های خروجی برای اندازه گیری تغییر ولتاژ ناشی از تغییر مقاومت گیج های فشار
در شکل بالا اجزای یک لودسل کرنش سنج را ملاحظه میکنید. کرنش سنج ها در بخش بالای آن تحت بار، در کشش هستند در حالی که آنهایی که در پایین قرار دارند تحت بار فشار هستند.
ویژگی ها، مزایا و معایب:
لودسل های استرین گیج به دلیل دقت بالا، قیمت پایین و سهولت استفاده، محبوب ترین ها هستند. آنها پاسخ فرکانس بالایی برای بارهای دینامیکی دارند و به تغییرات دما حساس نیستند. از آنجا که آنها می توانند در طیف گسترده ای از کاربری ها تحت بار قرار گیرند، برای بیشتر کاربرد های صنعتی مناسب است. لودسل های استرین گیج مبدل های پسیو هستند به این معنی که برای کار کردن به ولتاژ تغذیه نیاز دارند. این می تواند استفاده از آنها را در مناطقی که منبع الکتریکی محدودی دارند مشکل ساز باشد.
لودسل های هیدرولیک:
لودسل های هیدرولیک یک بار را به فشار هیدرولیک تبدیل می کنند. بار اندازه گیری شده به سکوی بار متصل به پیستون اعمال می شود. پیستون در یک محفظه بسته پر از مایع قرار می گیرد. هنگامی که بار وارد می شود، عمل پیستون بر روی دیافراگم، مایع را تحت فشار قرار می دهد. تغییر فشار مایع به طور مستقیم با نیروی اعمال شده توسط بار متناسب است. این فشار مایع از طریق فشار سنج لوله بوردون متصل قابل خواندن است.
اجزای لود سل هیدرولیک:
- یک دیافراگم الاستیک
- یک پیستون متصل به سکوی بار
- سیال هیدرولیک که معمولا روغن یا گاهی آب است
- فشارسنج یا گیج
- لوله ای که محفظه را به گیج فشار متصل می کند
- محفظه استیل برای مونتاژ
ویژگی ها، مزایا و معایب:
از آنجایی که طراحی لود سل هیدرولیک شامل هیچ جزء الکتریکی نیست، این نوع لودسل خود را به محیط هایی که ایمنی در برابر انفجار یک نگرانی است یا جایی که دسترسی به منبع تغذیه دشوار باشد، کاربرد دارد. از طرف دیگر لودسل‌های هیدرولیک نسبت به انواع دیگر گران‌تر هستند و برای کاربرد های خاص مقرون به صرفه هستند. لودسل های هیدرولیک معمولاً می توانند تا MN 5 را اندازه گیری کنند و دقتی در حدود 0.25 تا 1.0 درصد خروجی در مقیاس کامل دارند. رزولوشن آنها معمولاً حدود 0.02 درصد است. از آنجایی که این لودسل ها به فشار محیط حساس هستند، کاربر باید قبل از هر بار استفاده بازخوانی را به صفر برساند.
لودسل های پنوماتیکی:
لودسل های پنوماتیکی مشابه نمونه های هیدرولیکی خود عمل می کنند زیرا فشار سیال را به اندازه گیری بار تبدیل می کنند. با این حال سیال تحت فشار در یک لودسل پنوماتیک نوعی گاز و اغلب هوا است.
نیرویی که باید اندازه گیری شود به یک سکوی بارگذاری در یک طرف دیافراگم اعمال می شود و یک تنظیم کننده تامین فشار، گاز تحت فشار را به محفظه ای در طرف مقابل دیافراگم وارد می کند تا نیرو را متعادل کند. یک نازل متصل به یک فشار سنج به مقداری از گاز تحت فشار اجازه می دهد تا از محفظه خارج شود. فشار گازی که از این نازل عبور می کند اندازه گیری می شود. این فشار متناسب با نیروی اعمال شده است.
اجزای لود سل پنوماتیکی:
- سکوی بارگیری برای اعمال نیرو
- یک محفظه فولادی پر از گاز یا هوا تحت فشار
- یک دیافراگم الاستیک متصل به سکوی بارگیری که محفظه را آب بندی می کند
- یک تنظیم کننده تامین هوا
- نازل (دریچه تخلیه)
- فشار سنج
ویژگی ها، مزایا و معایب:
لود سل های پنوماتیکی مانند نمونه های هیدرولیکی خود در برابر انفجار مقاوم هستند و عموماً در کاربرد هایی با نگرانی های ایمنی استفاده می‌شوند. تغییرات دما برلودسل پنوماتیکی تاثیر گذار است. در نهایت این نوع لودسل به بارهای کوچک حساس است. این آنها را برای سیستم هایی که به دقت real-time با سبک‌ترین بارها نیاز دارند، مانند توزیع مایعات IV کاربرد دارند.
لودسل های بار خازنی:
لودسل های خازنی بر اساس توانایی یک ماده یا سیستم برای ذخیره بار کار می کنند. آنها از دو صفحه موازی با فاصله بین آنها تشکیل شده اند. جریان الکتریکی به صفحات می رسد تا زمانی که یک بار پایدار روی هر یک تشکیل شود: یکی با بار مثبت و دیگری منفی. هنگامی که یک بار به یکی از صفحات اعمال می شود، شکاف باریک می شود و باعث ایجاد بار (یا ظرفیت) ذخیره شده بین صفحات می شود. این شارژ خروجی لودسل را ایجاد می کند که سپس تبدیل به اندازه گیری بار می شود.
اجزای لود سل خازنی:
- سکوی بارگیری خارج از محفظه برای اعمال نیرو
- محفظه عایق حاوی یک صفحه متحرک آزاد و یک صفحه ثابت
- ماده دی الکتریک بین صفحات (که ممکن است هوا باشد)
- سیم های برق متصل به صفحات
- یک میله سخت یا رابط بین سکوی بارگیری و صفحه متحرک آزاد در محفظه
ویژگی ها، مزایا و معایب:
لودسل های خازنی نسبت به طیف وسیعی از نیروها، بزرگ و کوچک، بسیار حساس و دقیق هستند. آنها همچنین از نظر طراحی نسبتاً ساده هستند و آنها را نسبت به سایر انواع لودسل مقرون به صرفه تر می کند. یکی از مزیت های آنها این است که کاملا نفوذ ناپذیر شده اند که این مورد باعث می شود عوامل خارجی روی عملکرد آنها تاثیر نداشته باشد آنها را به گزینه خوبی برای کاربرد های توزین مواد غذایی و پزشکی که در آن مسائل بهداشتی مطرح است تبدیل می کند. از آنجایی که لودسل های خازنی با استفاده از بار الکتریکی کار می کنند، ممکن است انتخاب خوبی در محیط های قابل اشتعال نباشند. همچنین برخی از مواد دی الکتریک به دما حساس هستند که می تواند بر دقت لودسل تأثیر بگذارد.
لودسل های پیزو الکتریک:
سنسور های پیزو الکتریک بر اساس اثر پیزو الکتریک کار می کنند. اثر پیزوالکتریک خاصیت طبیعی موادی مانند کریستال کوارتز و سایر سرامیک ها است.
پیزوالکتریک زمانی تولید می شود که این ماده کریستالی پلاریزه تحت تنش یا تغییر شکل قرار گیرد. سپس تنش باعث تغییر جهت دو قطبی های داخلی ماده می شود. شبیه دی الکتریسیته است که زمانی اتفاق می افتد که باری از جابجایی الکترون ها در یک عایق ایجاد می شود. سنسور های پیزو الکتریک می توانند نیرو، فشار و جابجایی را کمیت کنند. الکترود های فلزی متصل به سطح ماده یک بار خالص قابل اندازه گیری را تشکیل می دهند. برای عملکرد مناسب، طراحی باید این الکترود ها را عمود بر نیروی اعمالی قرار دهد. هر دو نیروی فشار و کشش این اثر پیزو الکتریک را ایجاد می کنند. نیروهای فشاری قطبیت مخالف نیروهای کششی ایجاد می کنند. ولتاژ خروجی با نیروی اعمال شده نسبت مستقیم دارد.
اجزای لود سل پیزوالکتریک:
- یک سکوی بار یا سیستم بارگذاری برای اعمال نیرو
- الکترودهای فلزی متصل به مواد پیزوالکتریک
- مواد پیزوالکتریک
- سیم های خروجی برای اندازه گیری تغییر ولتاژ ناشی از تغییر شارژ
ویژگی ها، مزایا و معایب:
مبدل پیزوالکتریک یک مبدل اکتیو است. به این معنی که برای تولید سیگنال خروجی نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارد. این ویژگی این دستگاه را در کاربرد هایی که منبع تغذیه خارجی نامناسب است مطلوب می کند. با این حال سیگنال خروجی آن نیاز به تقویت دارد زیرا بسیار کوچک است.
اثر پیزوالکتریک برای نیرو های دینامیکی اتفاق می افتد. هنگامی که یک نیرو ایستا می شود، خروجی سنسور به صفر بر می گردد. بنابراین این مبدل ها تاثیرات خود را به کاربرد هایی که نیاز به اندازه‌گیری نیروی گذرا دارند، می‌دهند. مبدل های پیزوالکتریک نسبت به لودسل های دیگر دوام بیشتری دارند و پاسخ فرکانس بالایی دارند.
گروه صنعتی سپیانی آماده ارائه خدمات در زمینه طراحی خط تولید، راه اندازی و فروش انواع لودسل در سیستم های اتوماسیون صنعتی میباشد. علی الخصوص انواع سیستم های اتوماتیک توزین و جدا کننده محصول بر اساس وزن که باعث افزایش سرعت تولید می شود. گروه صنعتی سپیانی علاوه بر ارائه خدمات مشاوره، تعمیر و نگهداری و نیز پیاده سازی خطوط تولید و اتوماسیون آنها، قطعات مرتبط با اتوماسیون صنعتی را در فروشگاه خود با مناسب ترین قیمت ها به فروش میرساند. جهت کسب اطلاعات بیشتر میتوانید فرم درخواست مشاوره رایگان ما را کامل کنید تا مشاورین ما در کمترین زمان ممکن با شما تماس بگیرند.
