مقدمه
مبدل نیرو دستگاهی است که نیروهای مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. این سیگنال‌های الکتریکی می‌توانند برای نمایش، ثبت، کنترل یا تجزیه و تحلیل نیرو استفاده شوند. و مبدل‌های نیرو در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله صنعت، پزشکی، هوافضا و تحقیقات استفاده می‌شوند. مبدل های نیرو شامل چهار بخش مهم هستند:
- تنش و کرنش
- کرنش سنج ها
- مدار پل وتستون
- لودسل (سلول های بار)
در این مقاله قصد داریم تا درباره لودسل یعنی قسمت چهارم مبدل های نیرو صحبت کنیم.
لودسل چیست؟
لودسل (Load Cell)، نوعی مبدل (یا حسگر: Sensor) است که انرژی را از حالتی به حالت دیگر تبدیل می کند. به بیان دقیق تر، لودسل ها از گروه مبدل های نیرو هستند و انرژی جنبشی نیروهایی هم چون کشش، فشرده سازی ، فشار یا گشتاور را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری، تبدیل می کنند. قدرت سیگنال، متناسب با نیروی اعمال شده تغییر می کند. سه نوع لودسل اصلی بر اساس سیگنال خروجی وجود دارد: هیدرولیک ، پنوماتیک و کرنش سنج.
شرکت های سازنده کرنش سنج، جهت سهولت استفاده از آن در مصارف عمومی با رعایت تمامی موارد یاد شده اقدام به ساخت لودسل نموده اند.
- يك لودسل مبدلي است با طراحي خاص و ويژه جهت اندازه گيري نيرو (وزن).
- لودسل دارای بدنه فلزي است كه تعدادي كرنش سنج (معمولاً چهار تا) به آن متصل شده است.
- جهت استفاده از لودسل، باید منبع تغذيه مناسب آن تهيه و خروجي اش با استفاده از تقويت كننده هاي ابزاردقيق تفاضلي، تقويت شود تا برای ذخيره در حافظه كامپيوتر و يا نمايش بر روي نمايشگر آماده گردد.
- کاربرد لودسل ها را می توان در سه بخش اصلی صنعتی، پزشکی و نظامی تقسیم بندی نمود.
لودسل چگونه کار می کند؟
انواع لودسل
لودسل (Load Cell) کرنش سنج
متداول ترین نوع لودسل در کاربردهای صنعتی، لود سل کرنش سنج است. این نوع لودسل، دقیق و مقرون به صرفه است. این دستگاه از یک بدنه فلزی (آلیاژ خاص) جامد یا فنری (برگشت پذیر) تشکیل شده که میزان برگشت‌پذیری این ماده تعیین كننده كیفیت و دقت و دیرپایی لودسل است. کرنش سنج ها بر روی این بدنه محکم شده اند. جنس بدنه به طو معمول از آلومینیوم ، فولاد آلیاژی یا فولاد ضد زنگ ساخته شده است که آن را بسیار محکم و در عین حال، از قابلیت کششی کمی نیز برخوردار می کند.
هنگامی که تغییر طول (کرنش) اتفاق می افتد، کرنش سنج های متصل به لودسل، کمی تغییر شکل پیدا می کنند. اگر بیش از اندازه بارگیری نشود و نیرو برداشته شود، همیشه به حالت اولیه خود برمی گردند. این پدیده در پاسخ به تغییرات فرم بدنه لودسل، روی می دهد. این پدیده، به نوبه خود، موجب تغییر در مقاومت الکتریکی در پل وتستون بین کرنش سنج و لودسل شده و می تواند تغییر ولتاژ را سبب شود. از آن جا که این تغییر، در خروجی، متناسب است با مقدار فشاری که اعمال می شود، پس می توان وزن (نیرو) جسم را از تغییر ولتاژ به دست آورد. تغییر مقاومت اندازه گیری شده در کرنش سنج ها رخ می دهد، حساسیت یک لودسل با افزایش تعداد کرنش سنج هایی که اعمال نیرو می کنند؛ افزایش می یابد.
ویدیو لودسل (Load Cell)، نوعی مبدل ( یا حسگر: Sensor) است.
ویژگی کرنش سنج های مورد استفاده در لودسل
با توجه به توضیحات بخش های قبل در مورد کرنش سنج ها، برای رسیدن به بهترین نتیجه در به کارگیری این تجهیزات در لودسل، باید چندین نکته را در نظر گرفت:
- كرنش سنج ها بايد دقيقاً در راستاي نيروي اعمالي نصب شوند.
- چسب (ناقل) متصل به هسته بايستي بتواند به صورت كامل، نيروي وارد بر ميله يا قسمت فلزي را به كرنش سنجی منتقل كند که به صورت مستقیم به لودسل متصل شده است.
- بدنه فلزي کرنش سنج باید به گونه اي طراحی و نصب شده باشد تا بتواند نيروي فشاري و كرنشي در دو طرف آن ايجاد كند.
- ویژگی هاي فيزيكي بدنه فلزي کرنش سنج، باید كاملاً شناخته شده باشد.
- بهتر است، اتصال جنس لحيم به دو سر كرنش سنج، داراي مقاومت يكسان و قابل چشم پوشی باشد.
شکل (1). مدل های داخل شکل، سنسورهای کرنش سنج هایی بسیار دقیق هستند که برای توزین و اندازه گیری نیرو استفاده می شوند. دقت بالای آنها باعث می شود تا برای کاربردهای مهم در توزین، مناسب باشند.
خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا
ویژگی های بسیار گوناگونی براي دستگاه لودسل ارائه گردیده است. اما مهم ترين آن ها، ميزان ولتاژ خروجی در برابر بار قابل تحمل لودسل (Output at rated capacity) است. به اين ویژگی به اختصار نيز “حساسيت” گفته مي شود و با واحد ميلی ولت بر ولت mv/v نمايش داده مي شود. اين ولتاژ خروجي، تفاضلي بوده كه توسط پل و با اعمال بار كامل براي هر ولت، ولتاژ تغذيه ايجاد مي گردد.
به بیان دیگر، حساسیت در لودسل به کوچک ترین نیرویی گفته می شود که لودسل می تواند با اطمینان تشخیص دهد. هرچه حساسیت یک لودسل بیش تر باشد، دستگاه در تشخیص جزئی ترین تغییرات در کشش، بهتر عمل می کند. حساسیت لودسل حداقل نیروی مورد نیاز برای ایجاد تغییر در خروجی لودسل است.
شکل (2). نمونه داخل شکل، برای نیروهای کم فشار، در محیط های صنعتی طراحی شده است. انحراف کم و عدم حساسیت به اعمال نیروی خارج از مرکز از فاکتورهای مهم این تجهیز است که به صورت کامل از فولاد جامد، نیکل اندود شده برای مقاومت در برابر خوردگی ساخته شده اند.
سخن پایانی
در این مقاله آموختیم که لودسل‌ها از اثر الاستیک مواد برای تبدیل نیرو به سیگنال الکتریکی استفاده می‌کنند. در اکثر لودسل‌ها، این کار با استفاده از کرنش سنج انجام می‌شود. کرنش سنج های مناسب با توجه به نوع لودسل و شرایط محیطی انتخاب شده و با دقت بر روی بدنه لودسل نصب می‌گردند، کرنش سنج‌ها به صورت مدار پل وتستون با سه مقاومت مرجع با مقادیر ثابت ترکیب می‌شوند. یک ولتاژ ثابت به پل وتستون اعمال می‌گردد با با اعمال نیرو به لودسل، بدنه آن فشرده می‌شود و کرنش سنج‌ها دچار تغییر مقاومت می‌شوند. این تغییر مقاومت، عدم تعادل در پل ایجاد می‌کند و یک سیگنال ولتاژ خروجی در پایانه‌های پل ظاهر می‌شود. با اندازه‌گیری سیگنال ولتاژ خروجی و دانستن مشخصات مدار، کرنش سنج و لودسل، می‌توان میزان نیرو را با استفاده از فرمول‌های مربوطه محاسبه کرد.
لازم به ذکر است که این مقاله بخشی از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.
