15-17 kwietnia , Centrum Konferencyjne hotelu GRAND LUBICZ
Sprawdź szczegóły
- Start
-
Baza wiedzy
-
Pomiary wytrzymałościowe
-
Jak maszyna wytrzymałościowa mierzy siłę?
-
Baza wiedzy
-
Pomiary wytrzymałościowe
-
Jak maszyna wytrzymałościowa mierzy siłę?
Jak maszyna wytrzymałościowa mierzy siłę?
W nowoczesnych maszynach wytrzymałościowych precyzyjny pomiar siły ma kluczowe znaczenie dla wiarygodności wyników badań. Choć na pierwszy rzut oka cały proces wydaje się prosty, za odczytem wartości siły stoi złożony łańcuch pomiarowy — od tensometrycznego czujnika siły, przez przetwarzanie sygnału, aż po jego cyfrową analizę i prezentację na ekranie. W artykule pokazujemy, jak działa ten układ, od czego zależy dokładność pomiaru oraz dlaczego rozdzielczość i szum sygnału mają tak duży wpływ na końcowy wynik.
Kategorie
Baza wiedzyJak działa tensometryczny czujnik siły?
Pomiar opiera się na sprężystej deformacji elementu konstrukcyjnego czujnika. Przyłożenie siły powoduje odkształcenie tego elementu. To rozciągnięcie lub ściśnięcie jest mierzone za pomocą tensometrów umieszczonych na powierzchni czułego fragmentu sensora.
Fizycy posługują się koncepcją mostka Wheatstone'a, który służy do pomiaru rezystancji elektrycznej. Na tej samej zasadzie opiera się działanie czujników siły.
Względna zmiana rezystancji jest proporcjonalna do odkształcenia. Sygnał wyjściowy obwodu z mostkiem dostarcza zatem informacji o odkształceniu.
Ponieważ siła jest również proporcjonalna do rozciągnięcia/ściśnięcia, można ją określić liniowo na podstawie zmierzonej zmiany rezystancji w oparciu o uprzednią kalibrację zwaną w metrologii wzorcowaniem.
W zależności od rozmieszczenia tensometrów i konstrukcji czujnika siły, dokonuje się podstawowego rozróżnienia między czujnikami siły typu S lub Z a czujnikami pierścieniowymi typu R. (Czujniki siły typu S, Z i R). W zależności od konstrukcji czujniki różnią się pod względem odporności na przeciążenia i siły pozaosiowe.
Rozdzielczość pomiaru a szum pomiarowy
Rozdzielczość pomiaru siły według normy PN-EN ISO 7500-1:2018-05
Rozdzielczość pomiaru określa się jako sumę rozdzielczości teoretycznej urządzenia wyświetlającego oraz połowy zakresu wahań sygnału pomiarowego występujących w momencie włączenia urządzenia pomiarowego i odciążenia czujnika siły (z uwzględnieniem ewentualnych zakłóceń elektrycznych). Nie uwzględniono tu dokładności sterowania maszyną, na przykład maszynami hydraulicznymi, którą należy rozpatrywać osobno w zależności od konkretnego zastosowania.
Szum tła
Wszędzie tam, gdzie wykrywane są sygnały, występuje pewien poziom szumu tła. Zadaniem techniki obwodów i sygnałów jest jak najdokładniejsze zbliżenie się do granic wyznaczonych przez naturę w zakresie minimalizacji szumu. Stosunek sygnału do szumu (ang. Signal-Noise-Ratio, SNR) jest miarą jakości technicznej sygnału użytecznego, na który nakłada się sygnał szumu.
Aby można było niezawodnie wydobywać informacje z sygnału, sygnał użyteczny musi wyraźnie wyróżniać się na tle szumu tła, tzn. stosunek sygnału do szumu musi być wystarczająco duży.
Tor pomiarowy
| Pojęcie | Objaśnienie |
| próbkowanie | częstotliwość, z jaką wzmacniacz pomiarowy odczytuje dane z czujnika |
| częstotliwość odświeżania | częstotliwość transmisji danych pomiarowych ze wzmacniacza do sterownika |
| częstotliwość sterowania | wewnętrzna częstotliwość pętli sterowania w sterowniku |
| rozdzielczość | wartość wskazująca na ile jednostek może zostać podzielony zakres pomiarowy czujnika |
| czas całkowania | przedział czasowy, w którym obliczana jest średnia krocząca na podstawie zarejestrowanych wartości pomiarowych |
| częstotliwość zapisu | częstotliwość transmisji danych z urządzenia sterującego do programu LabMaster |
| EEPROM | elektrycznie kasowalna, programowalna pamięć tylko do odczytu (ang. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) |
| A/D | przetwornik A/C, czyli analogowo-cyfrowy (patrz część D) |
WNIOSEK: Aby ocenić jakość pomiaru siły, należy wziąć pod uwagę cały łańcuch pomiarowy. Obejmuje on czujnik siły, przetwarzanie sygnału analogowego w przetworniku A/C oraz przekazanie danych z toru pomiarowego do komputera lub jako wielkość sterującą do maszyny wytrzymałościowej.
W związku z tym precyzja regulacji zależy z jednej strony od toru pomiaru siły, a z drugiej strony od konstrukcji napędu maszyny wytrzymałościowej. Oznacza to, że do przemieszczania belki ruchomej, zwanej trawersą, niezbędna jest przekładnia bezluzowa, przenosząca napęd z silnika poprzez przekładnię na śruby napędowe.
Przetwornik analogowo-cyfrowy (przetwornik A/C)
Zasada działania przetwornika analogowo-cyfrowego
Głównym zadaniem przetwornika analogowo-cyfrowego jest przekształcanie przygotowanych sygnałów analogowych w strumień danych cyfrowych, które można przetwarzać w celu wyświetlenia, zapisania i analizy przy użyciu określonej metody próbkowania.
Wśród przetworników analogowo-cyfrowych najczęściej stosowanymi układami w maszynach testujących są przetworniki napięciowo-częstotliwościowe oraz przetworniki delta-sigma (Δ/Σ).
Przetwarzanie danych na przykładzie przetwornicy napięcia i częstotliwości
Zależność między rozdzielczością a czasem całkowania w przetwornicy napięciowo-częstotliwościowej
Rozdzielczość konwersji napięcia na częstotliwość zależy bezpośrednio od czasu, w którym obliczana jest średnia ruchoma na podstawie wartości zarejestrowanych przez licznik (= czas całkowania). Częstotliwość uśredniania określa zatem częstotliwość pomiarów.
Oznacza to, że częstotliwość próbkowania nie jest równa częstotliwości zapisu danych. Wysoka częstotliwość próbkowania nie ma sensu, dopóki zmierzone wartości nie mogą być odpowiednio przetworzone!
Wysoką rozdzielczość można osiągnąć jedynie przy długich czasach integracji. Jednak „szybkie” procesy i zdarzenia, takie jak lokalne maksima lub przegięcia na wykresach, są „wygładzane” przez uśrednianie kroczące w większych przedziałach czasowych i w związku z tym mogą nie zostać wykryte!
→ Z tego powodu wysoka rozdzielczość niekoniecznie prowadzi do zwiększonej dokładności!
| Czas całkowania [ms] | 1 | 10 | 20 | 100 |
| Rozdzielczość teoretyczna [działka] | ± 9 000 | ± 90 000 | ± 180 000 | ± 900 000 |
|
Rozdzielczość wskazania [N] = udźwig czujnika / rozdz. teoret. |
1.11 N 10 000 N/9 000 |
0.11 N 10 000 N/90 000 |
0.055 N 10 000 N/180 000 |
0.011 N 10 000 N/900 000 |
| Rozdzielczość pomiaru [N] | ± 1.2 | ± 0.22 | ± 0.1 | ± 0.04 |
Skutki zbyt długiego czasu całkowania w przetwornicy napięciowo-częstotliwościowej na podstawie rzeczywistych przykładów
Przetwarzanie danych na przykładzie przetwornika delta-sigma (Δ/Σ)
Proces konwersji sygnału A/D przy pomocy przetwornika Δ/Σ
Modulator delta-sigma przekształca analogowy sygnał wejściowy z czujnika w strumień bitów składający się z cyfr „0” i „1”. To, która wartość bitu zostanie przyjęta, zależy od wartości analogowej sygnału wejściowego.
Następnie ze strumienia bitów modulowany jest cyfrowy sygnał wyjściowy o szerokości 1 bitu, podobny do pierwotnego sygnału analogowego.
| Pojęcie | Objaśnienie |
| modulator | modulator generuje strumień bitów na podstawie sygnału analogowego |
| częstotliwość modulacji | częstotliwość w modulatorze (w zakresie MHz) |
| strumień bitów |
generowany sygnał szeregowy składający się z wartości „0” lub „1” wzrost sygnału analogowego → Wartość bitu „1” spadek sygnału analogowego → Wartość bitu „0” sygnał analogowy ma stałą wartość → Bit przełącza się między wartościami „0” i „1” |
| filtr dolno-przepustowy | filtr dolnoprzepustowy eliminuje zakłócające sygnały o wysokiej częstotliwości, które powstają podczas modulacji sygnału wejściowego, dzięki czemu można uzyskać bardzo wysoką (teoretyczną) rozdzielczość |
| częstotliwość próbkowania | częstotliwość wyjściowa przetwornika A/C i częstotliwość wejściowa układu sterującego (zwykle 20 kHz) |
| nadpróbkowanie | próbkowanie z nadwyżką oznacza, że częstotliwość wyjściowa przetwornika A/C jest wyższa niż częstotliwość sterująca regulatora (20 dla wewnętrznej częstotliwości przetwarzania wynoszącej 1 kHz). |
Przykładowe sygnały z przetworników Δ/Σ zarejestrowane przez czujnik siły 10 kN
| Czas całkowania [ms] | 1 | 10 | 20 | 50 | 100 |
| Częstotliwość próbkowania [Hz) | 1.000 | 100 | 50 | 20 | 10 |
| Rozdzielczość teoretyczna [działka] 24 bit | ±8 388 608 | ±8 388 608 | ±8 388 608 | ±8 388 608 | ±8 388 608 |
|
Rozdzielczość wskazania = udźwig czujnika [N] / działki | 0.001 N | 0.001 N | 0.001 N | 0.001 N | 0.001 N |
| Rozdzielczość (rzecz.) [działka] | ± 300 000 | ± 450 000 | ± 700 000 | ± 1 000 000 | ± 1 400 000 |
| Rozdzielczość pomiaru [N] | ± 0.5 | ± 0.15 | ± 0.11 | ± 0.05 | ± 0.04 |
Rozdzielczość nominalna przetwornika Δ/Σ (24 bity niezależnie od czasu całkowania) jest znacznie wyższa niż w przypadku przetwornika napięciowo-częstotliwościowego (≈17 bitów przy czasie całkowania wynoszącym 20 ms). W przypadku przetworników Δ/Σ wahania odczytów są mniejsze ze względu na szum tła. Za pomocą filtra dolnoprzepustowego można bardzo dobrze odfiltrować zakłócające szumy o wysokiej częstotliwości występujące podczas modulacji. Analiza sygnałów czujnika siły ujawnia, że wahania odczytów przetwornika Δ/Σ są zasadniczo większe w porównaniu z przetwornikiem napięciowo-częstotliwościowym.
Za pomocą przetworników Δ/Σ można zmniejszyć rozrzut odczytów
W sygnale wyjściowym przetwornika Δ/Σ, przefiltrowanym przez filtr dolnoprzepustowy, nadal występują pewne zakłócenia. Amplituda tych zakłóceń zależy od współczynnika nadpróbkowania oraz rzędu modulatora Δ/Σ.
Szum tła można zredukować poprzez:
- wysokie częstotliwości próbkowania / wysokie nadpróbkowanie
- modulatory Δ/Σ wyższego rzędu
Zbyt długi czas całkowania powoduje uśrednienie i niedopuszczalne wygładzenie zarejestrowanych charakterystycznych właściwości materiału, takich jak granica plastyczności i inne wartości szczytowe. Dotyczy to obu przetworników A/C! Dlatego właściwy dobór czasu całkowania ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania optymalnego stosunku rzeczywistej rozdzielczości do szybkości rejestracji danych.
-
Nowość
Maszyna wytrzymałościowa Inspekt blue 20–30 kN Hegewald & Peschke- Duża siła udźwigu do 30 kN w zwartej konstrukcji, idealna do wymagających testów.
- Precyzyjne przetworniki siły (klasa 1 lub 0,5) oraz wysoka rozdzielczość pomiaru.
- Sterowanie za pomocą oprogramowania LabMaster, umożliwiające pełną kontrolę nad testami.
Bestseller
Maszyna wytrzymałościowa Inspekt duo 5–10 kN Hegewald & Peschke- Ekstremalnie dokładne przetworniki siły (klasa 1 lub 0,5) dla precyzyjnych pomiarów.
- Prosta, dwukolumnowa konstrukcja z programową korekcją sztywności.
- Szybki układ sterowania z częstotliwością przesyłania danych 50-1000 Hz, umożliwiający szybki zapis wyników do PC.
Maszyna wytrzymałościowa Inspekt 100–1500 kN Hegewald & Peschke- Udźwig do 1500 kN, z możliwością rozszerzenia do 2000 kN, idealny do bardzo wymagających aplikacji.
- Wzmocniona i przesztywniona konstrukcja zapewniająca niezawodność i stabilność.
- Oparta na popularnej serii Inspekt 100-400, gwarantująca sprawdzone rozwiązania technologiczne.
Maszyna wytrzymałościowa Inspekt solo 2,5 kN Hegewald & Peschke- Ekstremalnie dokładne przetworniki siły z klasą 1 lub 0,5, zapewniające precyzyjne pomiary.
- Prosta konstrukcja jedno- lub dwukolumnowa z programową korekcją sztywności.
- Szybki układ sterowania z częstotliwością przesyłania danych 50-1000 Hz, co umożliwia szybki zapis wyników do PC.
Maszyna wytrzymałościowa Inspekt table do 50 kN Hegewald & Peschke- Uniwersalność i wszechstronność maszyn o udźwigu do 50 kN, odpowiednich do różnych branż.
- Szybkie sterowanie za pomocą pilota i/lub oprogramowania LabMaster.
- Solidna konstrukcja 2-kolumnowa z mocnym serwonapędem zapewniająca niezawodność i bezpieczeństwo.
Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.
