Wagi Elektroniczne

Poziom konstrukcyjno-technologiczny wag elektronicznych

Janusz Lewandowski

W niniejszej pracy zostały przedstawione niektóre wyniki projektów badawczych z dziedziny wag elektronicznych
finansowanych przez Komisję Europejską. Ostatni z nich, międzynarodowy 3-letni projekt badawczy EUROSTARS E! 4637 – EXCALE pt. „Nowa rodzina wag elektronicznych II klasy oparta na indukcyjnościowej metodzie pomiaru masy”, administrowany jest w Polsce przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, zaś w Komisji Europejskiej przez Sekretariat EUROSTARS.

Wszystkie wymienione projekty były wykonywane i zarządzane przez firmę badawczo-produkcyjną MENSOR przy
współpracy z następującymi instytucjami: Przemysłowym Instytutem Elektroniki, Wydziałem Mechanicznym Politechniki Łódzkiej, Wydziałem Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, Wydziałem Mechatroniki PW, Wydziałem Elektroniki PW i Instytutem Tele-Radiotechnicznym. W konstrukcjach wag elektronicznych występuje problematyka analogowych i cyfrowych układów elektronicznych, ich oprogramowania oraz szeroko rozumiana dziedzina mechaniki oparta na technologiach przetwórstwa tworzyw sztucznych, obróbce skrawaniem, obróbce plastycznej metali, spawalnictwie i innych – stąd potrzeba tak różnorodnej kooperacji. Celem naukowych prac badawczych z dziedziny wag elektronicznych jest podwyższenie ich poziomu konstrukcyjno-technologicznego A, który określa zbiór parametrów technicznych x1, x2, x3 ... .. ... xn danego wyrobu, praca [11]: A = f(x1, x2, x3 ... .. ... xn)
gdzie:
A – poziom konstrukcyjno-technologiczny wyrobu przemysłowego;
x1, x2, x3 ... .. ... xn – parametry techniczne tego wyrobu.

Wyznaczenie bezwzględnej wartości poziomu konstrukcyjno- -technologicznego danego wyrobu przemysłowego jest rzeczą trudną, można natomiast dokonać porownania parametrow technicznych kilku wag i ustalić najwyższy poziom konstrukcyjno- technologiczny jednej z nich. Porownanie to musi dotyczyć wyrobow tego samego typu, o podobnych parametrach technicznych, ale wytwarzanych przez różnych producentow - nie można porownywać wagi analitycznej z wagą magazynową III klasy.

Dzieląc otrzymane w ten sposob wartości A1, A2 ... .. ... An przez ceny porownywanych z sob. wag, otrzymujemy współczynniki ƒβ1, ƒβ2 ... .. ... ƒβn, charakteryzuj.ce jakość danej konstrukcji z handlowego i użytkowego punktu widzenia.
β1 = A1/C1
β2 = A2/C2
βn = An/Cn
gdzie:
β1, β2 ... .. ... βn – współczynniki poziomu konstrukcyjno-technologicznego
wagi;
C1, C2 ... .. ... Cn – ceny porównywanych z sobą wag.

Zakładając dla parametrow technicznych: x1, x2, x3 ... .. ... xn np. szkolną skal. ocen od 1 do 6, można wyznaczyć dla kilku wag współczynniki ƒβ charakteryzujące ich poziom konstrukcyjno - technologiczny A.
Celem projektow badawczych jest uruchomienie produkcji wag i przetwornikow pomiarowych, ktore posiadaj. maksymalne współczynniki ƒβ1, ƒβ2 ... .. ... ƒβn, a nie minimalne ceny c1, c2 ... .. ... cn. Tymczasem handlowcy w większości przypadkow kierują się wyłącznie kryterium cenowym, co naraża użytkownikow wag na częste naprawy lub w wielu przypadkach prowadzi do przedwczesnego złomowania zakupionej wagi. Powszechnie znany problem przetargow opartych wyłącznie na kryterium cenowym nie dotyczy tylko wag elektronicznych.
znany jest on z radia i telewizji. Z powyższych rownań wynika dodatkowy wniosek - pełna ocena poziomu konstrukcyjno-technologicznego nowego wyrobu przemysłowego jest mo.liwa dopiero w procesie produkcyjnym,
ocena pozornie rewelacyjnych wynalazkow powstałych w instytutach naukowych nie zawsze jest prawdziwa [11; 12]. Ocena poziomu A z definicji dotyczy oceny technologii wytwarzania, ktora z kolei zależy od producenta, jego wyposażenia w maszyny, urz.dzenia technologiczne i doświadczenia produkcyjne. Mamy zatem tutaj przypadek porownywania podobnych wyrobow wytwarzanych przez różnych producentow. Wagi elektroniczne są przyrządami do pomiaru masy, ich poziom konstrukcyjno-technologiczny A zależy w znacznym stopniu od układu pomiarowego, tzn. przetwornika pomiaru masy. Stąd naukowe prace badawcze prowadzone w ww. projektach dotyczyły w znacznym stopniu indukcyjnościowych przetwornikow do pomiaru masy.

Stan techniki pomiarów masy
W technice pomiarów masy rozpowszechnione są dwa systemy pomiarowe [6; 7; 9; 10; 13].
1. Oparty na kompensacji w układzie równowagi sił, masy ważonej za pomocą siłownika magnetoelektrycznego (rys. 1). Masa ważona jest tutaj proporcjonalna do prądu płynącego przez cewkę:
mg = k * i
gdzie:
m – masa ważona;
g – przyspieszenie ziemskie;
k – współczynnik proporcjonalności;
i – prąd płynący przez cewkę, skąd:

m = k/g * i
W praktycznym rozwiązaniu pomiaru masy (rys. 1) siła mg przyłożona jest przez układ dźwigniowy o różnym przełożeniu, zależnym od zakresu masy mierzonej. W przypadku wag górnoszalkowych potrzebny jest układ dźwigniowy kompensujący nieosiowe obciążenie szalki masą ważoną. Opisany układ pomiarowy jest powszechnie stosowany w przypadku dokładnych pomiarów masy i małych zakresów pomiarowych, np. w wagach
analitycznych. Ma on jednak wiele wad, do których należy zaliczyć:
- skomplikowana precyzyjna konstrukcja mechaniczna przełożenia dźwigniowego i mechanizmu kompensującego błąd nieosiowego przyłożenia siły;
- dość duża masa wynikająca z wymiarów gabarytowych magnesu stałego (rys. 1);
- mała odporność na zewnętrzne zmienne pola magnetyczne;
-  znaczny pobór energii (prąd i – równanie (2)), któremu towarzyszy wydzielanie ciepła i zmiana temperatury panującej wewnątrz wagi;
- mała odporność na wstrząsy, przyspieszenia i drgania.

Wymienione niedogodności były powodem poszukiwania
innych rozwiązań konstrukcyjnych, pozbawionych ww. wad.

Schemat ideowy układu pomiaru masy za pomocą siłownika magnetoelektrycznego

Schemat belki tensometrycznej

2. W latach sześćdziesiątych XX w. powstało nowe rozwiązanie konstrukcyjne oparte na pomiarze odkształceń sprężystych specjalnego profilu wykonanego ze stopu aluminium lub ze stali (rys. 2). Cztery tensometry naklejone w miejscach o najmniejszym przekroju zmieniają swoją rezystancję w wyniku obciążenia belki siłą mg. Połączone są one w układzie mostka Wheatstona, którego napięcie wyjściowe U proporcjonalne jest do masy
mierzonej m.
U ≈ k1 ? m
gdzie:
U – napięcie w przekątnej mostka;
k1 – współczynnik proporcjonalności;
m – masa mierzona.

Opisane rozwiązanie wprowadzało znaczny postęp w technice pomiarów masy; jest ono proste i bardziej niezawodne od systemu opartego na siłowniku magnetoelektrycznym; możliwy jest tutaj pomiar dużych mas przy małym poborze mocy. Rozwiązanie to znalazło powszechne zastosowanie w budowie wag elektronicznych, głównie o udźwigach powyżej dwóch kilogramów i rozdzielczości nieprzekraczającej 6000 działek. Belka tensometryczna (rys. 2) ma jednak również wiele wad:
- małą odporność na przeciążenia pionowe i boczne (150%);
- zakres zastosowań ograniczony do wag o udźwigach powyżej 2 kg (wykonywane są również wagi tensometryczne o zakresach pomiarowych poniżej 2 kg, ale mają niższą dokładność i nie spełniają normy PN-EN 45501);
-  ograniczoną dokładność pomiaru (na ogół wagi III klasy dokładności);
- skomplikowaną technologię naklejania tensometrów;
- konieczność kompensacji zmiany modułu Younga belki metalowej w funkcji temperatury przez odpowiedni dobór czujników tensometrycznych.
Pomimo ww. wad belki tensometryczne znalazły obok układu (rys. 1) powszechne zastosowanie i wielu konstruktorom wag trudno sobie wyobrazić ich budowę bez tego zespołu pomiarowego.

Indukcyjnościowa belka pomiarowa
Nowe rozwiązanie konstrukcyjne [5; 10; 13], wykorzystuje inne zjawiska fizyczne od wyżej opisanych. Zrezygnowano z tensometrów, które przeznaczone są z zasady swojej budowy do pomiaru miejscowych naprężeń w konstrukcjach metalowych – zastosowano natomiast znany w innych dziedzinach metrologii indukcyjnościowy czujnik przesunięcia (rys. 3). Składa się on z dwóch cewek, ruchomego rdzenia i kubka ferrytowego, przez który zamyka się zmienny strumień pola magnetycznego wytworzonego przez prąd płynący przez cewki.
Omawiany czujnik pracuje w układzie różnicowym, tzn. w środkowym symetrycznym położeniu rdzenia względem cewek napięcie wyjściowe układu pomiarowego (rys. 4) jest równe zero. Przesuniecie rdzenia względem tego stanu równowagi powoduje pojawienie się napięcia U proporcjonalnego do przesunięcia x rdzenia ferrytowego. Opisany wyżej indukcyjnościowy czujnik przesunięcia zastosowano do budowy indukcyjnościowej belki pomiarowej
(rys. 5). Ruchoma część belki połączona jest z szalką wagi, na którą nakładamy masę ważoną. W wyniku położenia tej strony w stałej części belki, z drugiej strony w części ruchomej. Ww. połączenia są trwałe, ponieważ sprężyny wykonanesą z tego samego materiału co część stała i ruchoma, metodą obróbki skrawaniem.

Schemat indukcyjnościowego czujnika przesunięcia

Schemat mostka pomiarowego czujnika indukcyjnościowego

Schemat indukcyjnościowej belki pomiarowej

Lista produktów

Promocja
XC PRECISION 2000g/0,1g
XC PRECISION 2000g/0,1g
189,00 169,00
Promocja
Radwag WTC 600
Radwag WTC 600
969,00 923,00

Producenci

Pokaż:
60 120 180