لودسل (Load Cell) چیست؟ (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش 5)

لودسل یک حسگر الکترو-مکانیکی است که برای اندازه‌گیری نیرو یا وزن استفاده می‌شود. این حسگر دارای طراحی ساده اما بسیار مؤثری است که بر پایه‌ی رابطه‌ی شناخته‌شده بین نیروی اعمال‌شده، تغییر شکل ماده و جریان الکتریسیته عمل می‌کند. لودسل‌ها دستگاه‌هایی بسیار انعطاف‌پذیر هستند که عملکردی دقیق و مقاوم را در طیف گسترده‌ای از کاربردها ارائه می‌دهند. تعجبی ندارد که آن‌ها به بخش ضروری بسیاری از فرآیندهای صنعتی و تجاری تبدیل شده‌اند؛ از خودکارسازی تولید خودرو گرفته تا وزن‌کشی خریدهای شما در صندوق فروشگاه.

با پیشرفت سریع فناوری، کاربردهای جدید و هیجان‌انگیز زیادی در حال ظهور هستند که می‌توانند از استفاده‌ی لودسل‌ها بهره‌مند شوند. پیشرفت‌های جدید در حوزه‌هایی مانند رباتیک، هپتیک (فناوری حس لامسه) و پروتزهای پزشکی، تنها چند نمونه هستند که همگی به روش‌های مؤثر برای اندازه‌گیری نیرو و وزن نیاز دارند.

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
• 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.

• یك لودسل مبدلی است با طراحی خاص و ویژه جهت اندازه­ گیری نیرو (وزن).
• لودسل دارای بدنه فلزی است كه تعدادی كرنش سنج (معمولاً چهار تا) به آن متصل شده است.
• جهت استفاده از لودسل، باید منبع تغذیه مناسب آن تهیه و خروجی اش با استفاده از تقویت كننده­ های ابزاردقیق تفاضلی، تقویت شود  تا برای ذخیره در حافظه كامپیوتر و یا نمایش بر روی نمایشگر آماده گردد.
• کاربرد لودسل ها را می توان در سه بخش اصلی صنعتی، پزشکی و نظامی تقسیم بندی نمود.

لودسل چگونه کار می کند؟

وقتی از لودسل استفاده می‌کنیم، معمولاً یک سر آن به یک قاب یا پایه محکم می‌شود، در حالی که سر دیگر آزاد است تا وزن یا المانِ تحمل‌کننده‌ی وزن به آن متصل شود. وقتی نیرو به بدنه‌ی سلول بار وارد می‌شود، این بدنه تحت فشار کمی خم می‌شود. این حالت شبیه اتفاقی است که برای یک چوب ماهیگیری می‌افتد وقتی که ماهیگیر یک ماهی را به قلاب می‌اندازد.

ماهیگیر چوب ماهیگیری را در دستان خود محکم نگه می‌دارد، در حالی که ماهی از طرف دیگر نخ ماهیگیری نیروی کششی وارد می‌کند. نتیجه‌ی این نیرو این است که چوب ماهیگیری خم می‌شود و هرچه ماهی بزرگ‌تر و قوی‌تر باشد، میزان خم‌شدگی بیشتر خواهد بود.

وقتی این اتفاق برای یک حسگر بار (لودسل) رخ می‌دهد، تغییر شکل بسیار جزئی است و با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست. برای اندازه‌گیری این تغییر شکل، کرنش‌سنج‌ها (strain gages) به‌طور محکم در نقاط از پیش تعیین‌شده به بدنه‌ی سلول بار چسبانده می‌شوند تا همزمان با بدنه تغییر شکل دهند. این حرکت ایجادشده، مقاومت الکتریکی کرنش‌سنج‌ها را متناسب با میزان تغییر شکلی که به‌وسیله‌ی بار اعمال‌شده ایجاد شده است، تغییر می‌دهد.

با استفاده از الکترونیکِ شرطی‌سازی سیگنال، مقاومت الکتریکی کرنش‌سنج‌ها اندازه‌گیری می‌شود و سیگنال حاصل به‌صورت یک مقدار وزن یا نیرو خروجی داده می‌شود.

انواع لودسل

چندین نوع لودسل برای کاربردهای مختلف وجود دارد که به شرح زیر است:

• لودسل کرنش سنج (Strain Gauge Load Cells)
• سلول بار هیدرولیکی (Hydraulic Load Cells)
• سلول بار پنوماتیکی (Pneumatic Load Cells)
• سلول بار خازنی (Capacitive Load Cells)
• مبدل‌های پیزوالکتریک (Piezoelectric Transducers)

لودسل (Load Cell) کرنش سنج

متداول ترین نوع لودسل در کاربردهای صنعتی، لودسل 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 باید دقیقاً در راستای نیروی اعمالی نصب شوند.
• چسب (ناقل) متصل به هسته بایستی بتواند به صورت كامل، نیروی وارد بر میله یا قسمت فلزی را به كرنش­ سنجی منتقل كند که به صورت مستقیم به لودسل متصل شده است.
• بدنه فلزی کرنش سنج باید به گونه ­ای طراحی و نصب شده باشد تا بتواند نیروی فشاری و كرنشی در دو طرف آن ایجاد كند.
• ویژگی ­های فیزیكی بدنه فلزی کرنش سنج، باید كاملاً شناخته شده باشد.
• بهتر است، اتصال جنس لحیم به دو سر كرنش سنج، دارای مقاومت یكسان 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 برای دستگاه لودسل ارائه گردیده است. اما مهم ترین آن ها، میزان ولتاژ خروجی در برابر بار قابل تحمل سلول بار (Output at rated capacity) است. به این ویژگی به اختصار نیز “حساسیت” گفته می ­شود و با واحد میلی ولت بر ولت mv/v نمایش داده می ­شود. این ولتاژ خروجی، تفاضلی بوده كه توسط پل و با اعمال بار كامل برای هر ولت، ولتاژ تغذیه ایجاد می­ 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.

تفاوت بین لودسل (Load Cell) و کرنش‌سنج (Strain Gauge) چیست؟

لودسل و کرنش‌سنج‌ها هر دو ابزارهایی هستند که برای اندازه‌گیری نیرو یا بار استفاده می‌شوند، اما به روش‌های متفاوتی عمل می‌کنند. کرنش‌سنج یک حسگر است که کرنش یا تغییر شکل یک جسم را زمانی که تحت تأثیر یک نیروی خارجی قرار می‌گیرد اندازه‌گیری می‌کند. این حسگر با استفاده از یک سیم یا فویل فلزی نازک کار می‌کند که به سطح جسم مورد اندازه‌گیری متصل می‌شود. هنگامی که جسم تغییر شکل می‌دهد، سیم یا فویل نیز تغییر شکل می‌دهد و این موضوع باعث تغییر در مقاومت الکتریکی آن می‌شود. این تغییر مقاومت متناسب با مقدار کرنش است و می‌توان آن را با استفاده از یک مدار الکتریکی اندازه‌گیری کرد.

در مقابل، سلول بار دستگاهی است که نیروی واردشده یا بار اعمال‌شده به خود را با تبدیل آن نیرو به یک سیگنال الکتریکی اندازه‌گیری می‌کند. سلول بار از یک ساختار فلزی تشکیل شده است که «المان فنری» نامیده می‌شود و هنگامی که نیرو به آن وارد می‌شود، تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل توسط یک کرنش‌سنج که به المان فنری متصل شده است تشخیص داده می‌شود. کرنش‌سنج تغییر شکل را اندازه‌گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که قابل اندازه‌گیری و ثبت است.

بنابراین، به‌طور خلاصه، کرنش‌سنج تغییر شکل یک جسم را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که سلول بار با تبدیل این تغییر شکل به سیگنال الکتریکی، نیروی اعمال‌شده را اندازه‌گیری می‌کند. یک سلول بار معمولاً شامل یک یا چند کرنش‌سنج به‌عنوان بخشی از ساختار خود است.

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.