انواع استرین گیج برای ترانسدیوسرها

کمیت‌های تأثیرپذیر از تغییرات دما

• انبساط یا انقباض مواد
• مقاومت سیم‌های اتصال
• فاکتور گیج کرنش‌سنج
• تاثیر دما بر مدول الاستیسیته مواد
• ایجاد گرما در کرنش‌سنج ناشی از عبور جریان الکتریکی از آن
• آب و هوا/رطوبت نسبی
• خزش چسب

اقدام جبرانی ممکن

• از کرنش سنج های خود جبران‌ساز استفاده کنید
• از تکنیک های چند سیمی برای اتصال گیج‌ها استفاده کنید
• بسیار کم، معمولا نادیده گرفته می شود. جبران محاسباتی در حین اندازه گیری همزمان دما امکان پذیر است.
• استفاده از مقاومت‌های جبران‌ساز دما
• حداکثر ولتاژ تحریک را رعایت کنید
• پوشاندن دقیق نقطه اندازه گیری
• محدودیت های دمایی چسبی که استفاده می کنید را رعایت کنید

1. کمیت های تأثیرپذیر

توجه ویژه ای باید به این دو کمیت تأثیرپذیر داشت:

• انبساط مواد ("کرنش ظاهری")
• اثرات ناشی از مقاومت کابل اندازه گیری.

علاوه بر این دو عامل اصلی، کمیت های تأثیرگذار دیگری نیز وجود دارند که تغییرات دما در آنها نقش دارند. با این حال، مجموع این اثرات را می توان نادیده گرفت و معمولا از طریق جبران محاسباتی قابل حل است (به توضیح جبران محاسباتی زیر مراجعه کنید).

1.1 انبساط مواد ("کرنش ظاهری")

موادی که در اندازه گیری به همراه گیج‌ها استفاده می شوند، با افزایش دما منبسط می شوند. این انبساط با ضریب انبساط ماده توصیف می شود. و مقدار آن بستگی به مواد دارد. این مقدار برای فولاد تقریبا ‎11ppm/K است، یعنی طول فولاد به ازای هر یک درجه تغییرات دما، 11 میکرومتر بر متر کمتر یا بیشتر می‌شود. انبساط مواد، تحت تأثیر تغییرات دما، در نهایت منجر به اندازه‌گیری یک کرنش «ظاهری»، به عبارت دیگر، یک کرنش بدون بار می‌شود.

بهترین اقدام متقابل ممکن در این مورد استفاده از کرنش سنج های خود جبران‌ساز است. رفتار دمایی این کرنش‌سنج‌ها با یک ماده خاص تطبیق داده می‌شود تا کرنش ظاهری (و بنابراین انبساط بدنه اندازه‌گیری ناشی از دما) را جبران کنند.

1.2 مقاومت سیم‌های اتصال

هنگامی که از یک مدار دو سیمه استفاده می شود (نمودار زیر را ببینید) مقاومت یکی از سیم‌های اتصال اندازه گیری به مقاومت کرنش سنج اضافه می شود – مقدار مقاومت این سیم با تغییرات دما، تغییر می‌کند، بنابراین بر اندازه گیری تأثیر می گذارد. این تاثیر خودش را به صورت رانش از صفر و کاهش ضریب موثر گیج نشان می‎‌دهد.

یک اقدام مناسب در این مورد استفاده از تکنیک های چند سیمی است که در زیر توضیح داده شده است

1.3 ضریب دمای فاکتور گیج

فاکتور گیج مهمترین ویژگی یک کرنش‌سنج است. این ضریب، همبستگی بین کرنش و تغییر مقاومت را توصیف می کند. فاکتور گیج وابسته به دما است. میزان وابستگی دمایی فاکتور گیج کرنش‌سنج‌های نوعی، معمولا ‎0.01%/K می‌باشد. در نتیجه میزان اثرگذاری آن بر نتایج اندازه‌گیری معمولا کوچک است و بنابراین عمدتا نادیده گرفته می‌شود. با این حال، در اندازه‌گیر‌های دقیق می‌توان از جبران محاسباتی (برای اندازه گیری دما) نیز برای حذف اثر آن بر روی نتایج اندازه‌گیری استفاده کرد.

1.4 وابستگی مدول الاستیسیته به دما

مدول الاستیسیته یک ویژگی وابسته به بدنه ماده اندازه گیری است. که ارتباط بین کرنش اندازه گیری شده و تنش مکانیکی را توصیف می کند. مدول الاستیسیته وابسته به دما است. یک مقدار معمولی برای فولاد در این مورد تقریبا ‎-0.02%/K است. در تجزیه و تحلیل تنش تجربی، اثر مدول الاستیسیته معمولا نادیده گرفته می‌شود. ولی در مبدل های با دقت بالا که می توانند کالیبره شوند، جبران این اثر با استفاده از عناصر مقاومت‌های جبران‌ساز نیکلی وابسته به دما در پل انجام می شود.

1.5 گرمای ناشی تولید شده توسط خود کرنش‌سنج به خاطر عبور جریان الکتریکی از آن (ولتاژ تحریک)

ولتاژ تحریک باعث می شود که کرنش سنج در مقایسه با بدنه اندازه گیری گرم شود. بسته به رسانایی حرارتی بدنه اندازه گیری، رسانایی گرما کم و بیش جذب بدنه اندازه گیری می شود. اگر بدنه اندازه‌گیری، گرما را ضعیف هدایت کند، ممکن است اختلاف دما بین بدنه اندازه‌گیری و کرنش سنج به وجود بیاید. این اثر می تواند در عملکرد کرنش‌سنج خود جبران ساز اختلال ایجاد کند.

برای حذف و یا کم کردن اثر این خطا، ولتاژ تحریک اعمالی به گیج، نباید از مقدار مجاز آن که توسط سازنده گیج مشخص شده است، فراتر رود.

1.6 آب و هوا و رطوبت نسبی

اگر نقطه اندازه گیری به اندازه کافی محافظت نشده باشد، بسته به رطوبت نسبی ممکن است یک رانش در نقطه صفر رخ دهد. این به دلیل جذب مولکول های آب توسط چسب و مواد حامل کرنش سنج است اقدام مناسب برای حذف این خطا این است که نقطه اندازه گیری را با دقت توسط مواد محافظ بپوشانید.

1.7 خزش چسب

با افزایش دما، چسب ها نرم می شوند و دیگر قادر به انتقال 100 درصد فشار نیستند. این اثر مشابه این است که فاکتور گیج کرنش‌سنج کاهش داده شود. به همین دلیل مهم است که همیشه محدودیت های دمایی چسب را رعایت کرده و آنها را متناسب با زمینه کاربرد انتخاب کنید.

2. اقدامات جبرانی

2.1. کرنش‌سنج‌های خود جبران ساز

کرنش‌سنج های خود جبران‌ساز به طور ویژه برای جبران رفتار دمایی مواد خاص با رفتار دمایی خود ساخته شده اند. این بدان معنی است که آنها با کرنش ظاهری (و در نتیجه انبساط بدنه اندازه گیری ناشی از دما) مقابله می کنند. بنابراین یک کرنش سنج با پاسخ دمایی مناسب برای مواد بدنه اندازه گیری انتخاب می شود.

کرنش‌سنج‌های خود جبران‌ساز برای برخی از مواد پرکاربرد:

انتخاب یک کرنش سنج که با ماده مورد نظر تطبیق داده شده باشد، سهم خطی از کرنش ظاهری را جبران می کند. اما بخشی از خطا (جزء غیر خطی) باقی می ماند. این خطا در حین تولید مشخص می شود و مقدار آن در برگه اطلاعاتی کرنش‌سنج گنجانده شده است (به تصویر مراجعه کنید). برای محاسبات گسترده تر، به عنوان مثال با تغییرات دما بیشتر، می توانید یک جبران محاسباتی نیز انجام دهید (به زیر مراجعه کنید).

2.2 مدار پل وتستون و مدار چند سیمی

در کنار استفاده از کرنش سنج های خود جبران ساز، اتصال به مدار نیم پل یا کامل و همچنین استفاده از مدار سه یا چهار سیم، یکی دیگر از روش های مهم جبرانی است که به ویژه برای به حداقل رساندن یا حتی از بین بردن کامل اثر مقاومت کابل هم مفید است.

مدار پل وتستون تغییرات بسیار کوچک در مقاومت را به یک ولتاژ الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. چهار مقاومت پل را می توان با یک کرنش سنج (مدار ربع پل)، دو (مدار نیم پل) یا چهار (مدار پل کامل) کرنش‌سنج جایگزین کرد.

نحوه اثر جبران دما را می توان با یک مثال تیر خمشی زیر نشان داد:

تحت بار مثبت، بدنه اندازه‌گیری یا همان عنصر فنری دارای کرنش (+) در بالا و کرنش (-) در پایین است. اگر دو کرنش سنج به مدار پل وتستون به صورت نیم پل وصل شوند، نتیجه دو برابر شدن سیگنال خروجی است. اگر کرنش وابسته به دما رخ دهد، این کرنش برای هر دو کرنش سنج با یک علامت ظاهر می شود. بنابراین اثرات یکدیگر را در مدار پل وتستون خنثی می کنند.

2.3 جبران محاسباتی

جبران محاسباتی را می توان برای خطای باقیمانده از کرنش‌سنج های خود جبران‌ساز، برای خطای یک کرنش سنج که تنظیم نشده یا ضعیف تنظیم شده است و همچنین برای سایر خطاهای کوچک (مانند وابستگی فاکتور گیج به دما) انجام داد.

برای انجام این کار دما نیز همزمان با کرنش اندازه گیری می شود و کرنش اندازه گیری شده، توسط یک کانال آنلاین محاسبه شده و تصحیح می شود. در این حالت شیب دما نیز باید در نظر گرفته شود. در صورت لزوم باید چندین نقطه اندازه گیری برای دما در نظر گرفته شود. ابزارهای نرم افزاری مانند catman نیز عملکردهای مناسبی را برای جبران محاسباتی ارائه می دهند.

2.4 استفاده از تقویت کننده فرکانس حامل

علاوه بر خود سنسور، تقویت کننده نیز نقش مهمی در تاثیرات دمایی ایفا می کند. این امر به ویژه در مورد ولتاژهای ترموالکتریک صدق می کند: به دلیل اثر ترموالکتریک، یک ولتاژ الکتریکی وابسته به دما در جایی که مواد مختلف به هم متصل می شوند، تولید می شود. ترموکوپل ها از این اثر استفاده می کنند. با این حال، این اثر همچنین بر روی یک سیستم اندازه گیری کرنش سنج (خطای صفر وابسته به دما) تأثیر دارد.

ولتاژ ترموالکتریک را می توان تا حد زیادی با استفاده از یک تقویت کننده فرکانس حامل مانند AMP11 جبران کرد. در این حالت یک ولتاژ تحریک سینوسی به مدار پل وتستون توسط تقویت کننده داده می‌شود، به طوری که سیگنال اندازه گیری روی این سیگنال سینوسی مدوله می‌شود. پس از عبور سیگنال از فیلتر باند گذر، دمودولاسیون به صورت دیجیتالی انجام می شود تا ولتاژهای ترموالکتریک شبه استاتیک در مسیر تقویت کننده فیلتر شوند.

چک لیست: مهمترین نکات در مورد جبران دما کرنش سنج ها

بسته به مقدار تأثیر، گزینه های مختلفی برای به حداقل رساندن تأثیر دما بر نتیجه اندازه گیری در دسترس است. در اینجا موارد بالا را به صورت خلاصه لیست کردیم:

• از کرنش سنج های خود جبران‌ساز استفاده کنید
• از مدار پل وتستون با سه یا چهار سیم استفاده کنید
• از تقویت کننده فرکانس حامل برای حذف ولتاژهای ترموالکتریک استفاده کنید
• برای جبران محاسباتی: اندازه گیری دما را به صورت موازی انجام دهید
• محدودیت های دمایی کرنش‌سنج ها و چسب را رعایت کنید