Тензодатчики с калиброванным по току выходом в системах с несколькими датчиками. Описание, расчет, сравнение со стандартными тензодатчиками.

Калибровка стандартных тензодатчиков.

Весовым системам с несколькими тензодатчиками обычно требуется индивидуальная настройка каждого тензодатчика по току, чтобы гарантировать, что точность измерение веса находится в пределах допуска, при размещении груза в пределах заданной области взвешивания. Индивидуальная настройка датчиков нагрузки представляет собой трудоемкий процесс, особенно для систем взвешивания и контроля положения емкостей или резервуаров, а также на оборудовании работающем в агрессивных средах, когда приходится опорожнять и заполнять емкости несколько раз в процессе калибровки.

Обычно, согласно спецификации тензодатчика погрешность рабочего коэффициента передачи (РКП) каждого тензодатчика составляет 0,1% (2 ± 0,002 мВ/В). Однако при подключении в параллель, каждый тензодатчик будет работать вместе с сопротивлениями других тензодатчиков. В результате для точной работы, система будет нуждаться в дополнительной настройке. На рисунке показана электрическая схема четырёх тензодатчиков, соединенных параллельно. Каждый тензодатчик может быть представлен как источник напряжения «U» с сопротивлением «Rо» (выходное сопротивление тензодатчика). Для лучшего понимания работы схемы используем эквивалентную схему Нортона. Тензодатчик теперь представлен как источник тока, параллельная комбинация тензодатчиков определяет полное сопротивление, где I = U ∕ Rо.

Например, четыре обычных тензодатчика соединены параллельно с питающим напряжением 10 В постоянного тока:

* Выходные значения параметров группы тензодатчиков равны среднему арифметическому значению параметров отдельных тензодатчиков.
** I/Rt = I/R1 + I/R2 + I/R3 + I/R4

Суммарные выходные параметры могут быть рассчитаны умножением общего тока на общее сопротивление: U = It * Rt = 0,2279 * 87,81 = 20,012 ≈ 20,01 мВ.

Показания при приложении испытательной нагрузки 500 кг на каждый отдельный тензодатчик будут:

Где:
  It  =  T * S * E ∕ Ro * Emax
  Uo  =  It * Rt
  M  =  Uo * N * Emax ∕ Uoc
It  =  Общий ток (mA)
T  =  Тестовая нагрузка (кг)    = 500
S  =  Рабочий коэффициент передачи тензодатчика  (мВ/В)
E  = Напряжение возбуждения (В)   = 10
Ro   =  Выходное сопротивление тензодатчика  (Ω)
Emax  =  Номинальная нагрузка тензодатчика (кг)   = 1000
Uo   =  Напряжение на выходе (мВ)
Rt   =  Общее сопротивление (Ω)  = 87.81
M  =  Измеренное значение (кг)
N  =  Количество тензодатчиков   = 4
Uoc  =  Комбинированное напряжение на выходе (мВ)   = 20.01

Показания основаны на номинальной нагрузке тензодатчиков. Значение нулевого баланса (выход без нагрузки) считается равным 0 мВ/В. Следовательно, если тензодатчик не загружен, ток также будет 0 мА. В приведенном выше примере рассматривается тестовая нагрузка, которая действует только на один из четырех тензодатчиков. На практике испытательная нагрузка будет неравномерно распределена по всем тензодатчикам из-за наличия конструкции системы взвешивания (платформа / бункер). Поэтому абсолютные ошибки будут меньше, но все же их значения значительны.

Если все датчики нагрузки были бы нагружены величиной 500 кг, общее значение измерений будет 501.05 + 498.91 + 499.39 + 500.61 = 1999,96 ≈ 2000 кг. Эти расчеты ясно показывают, что системе нужна дальнейшая настройка, для повышения точности. Обычно это делается в балансировочной коробке используя постоянные или переменные резисторы.

Но этот метод имеет серьезные недостатки:
Дополнительные термочувствительные резисторы вводятся в цепь системы измерения веса.
Выбор этих резисторов может быть очень трудоемким и требуют использования эталонного веса.
Процесс калибровки должен выполняться каждый раз при замене тензодатчика.
Решение, используемое некоторыми производителями тензодатчиков для улучшения общего результата поставлять отдельные резисторы с каждым тензодатчиком для использования в выходных цепях для балансировки выходных сопротивлений. Однако это не решает проблему установки дополнительных резисторов и опять же, они должны повторно подстраиваться, при замене любого тензодатчика.

Откалиброванные по току тензодатчики.

Возьмем типичные характеристики тензодатчика:
• Номинальный выходной допуск: ± 0,1% (абсолютная погрешность 0,2%)
• Допуск на значение выходного сопротивления: ± 1,0% (абсолютная ошибка 2,0%)

Комбинируя три приведенные выше формулы, можно признать, что максимальная погрешность основана только на номинальном выходном допуске и допуске на значение выходного сопротивления тензодатчика:
M = (T * E * Rt * N ∕ Uoc) * (S ∕ Ro) = Const * (S ∕ Rt)
Следовательно, максимальная погрешность будет:
√ (0,22 + 2,02) = 2,01%
Калибровка тензодатчика по току делает внешние балансировочные резисторы ненужным, позволяет намного быстрее производить наладку и калибровку и позволяет заменять тензодатчики без необходимости перенастройки системы. Откалиброванные тензодатчики рационализированы с точки зрения значения выходного тока, а не с точки зрения напряжения на выводе.

При изготовлении тензодатчика LCx, измеряется выходное сопротивление Rx, далее требуемое значение рассчитывается по формуле:
Ux = Iref * Rx
После этого расчета требуемое значение для Ux достигается с помощью внутренних калибровочных резисторов с точностью до 0,05%, что дает идентичные выходные допуски для каждого тензодатчика.

Пример, следующие четыре тензодатчика откалиброванных по току соединены параллельно с питающим напряжением 10 В постоянного тока:

Суммарные выходные параметры могут быть рассчитаны умножением общего тока на общее сопротивление: U = It * Rt = 0,2276 * 87,81 = 19.986 мВ.

Показания при приложении испытательной нагрузки 500 кг на каждый отдельный тензодатчик будут:

Вышеприведенные расчеты ясно показывают, что для выполнения точных измерений система не нуждается в дальнейшей настройке.

Выводы

Возьмем типичные характеристики тензодатчика:
• Допуск на номинальную нагрузку: ± 1,0%.
• Допуск на выходное сопротивление: ± 1,0%.
• Допуск на выходной ток, Iref : ± 0,05% (абсолютная погрешность 0,1%).

Эти данные свидетельствуют о максимальной погрешности 0.1%, это примерно в 20 раз лучше чем у откалиброванных стандартных тензодатчиков. Использование данного метода измерения нагрузки тензодатчиком оказывает большое влияние на точность и повторяемость результата. Калиброванные по току тензодатчики в весоизмерительных системах с несколькими датчиками, при правильной установке не нуждаются в дополнительной калибровке.

Требования к правильной установке тензодатчиков:

• Все тензодатчики должны быть размещены на одном горизонтальном уровне (корректировка положения может быть сделана с помощью тонких пластин установленных под тензодатчиком).
• Нагрузка на датчик должна воздействовать вертикально (2° отклонения от перпендикуляра уже вызывает ошибку около 0,061%).

Замена тензодатчика.

Хотя калиброванные по току тензодатчики не нуждаются в дополнительной настройке, при замене тензодатчика должна проводится проверка калибровки. Если тензодатчик в качестве источника тока считать постоянным фактором, то калибровка напрямую связана со сменой комбинированного сопротивления.
Uo = It * Rt = Const * Rt
Следовательно, изменение калибровки можно рассчитать:
(M ∕ N) * a (%)
Где:
M = количество тензодатчиков, подлежащих замене
N = количество тензодатчиков в системе
а = изменение сопротивления в процентах:
     ((ΣmRnew - ΣmRold) ∕ ΣmRold) * 100%

Пример.
Тензодатчик с выходным сопротивлением 350.5 Ом будет заменен датчиком нагрузки с выходным сопротивлением 353.0 Ом. Система имеет в общей сложности четыре тензодатчика. Изменение сопротивления будет:
((353,0 - 350,5) /350,5) * 100% = 0,71%
Изменение значения калибровки будет:
(M ∕ N) * 0.71% = (1∕4) * 0.71% = 0.18%

---

  Весовое оборудование,  Тензодатчики