نحوه ساخت مبدل های اندازه گیری

محفظه محافظ به کار رفته در آن از انتقال نیروهای جانبی ایجاد شده توسط بارهای مکانیکی اعمالی، به عنصر ارتجاعی جلوگیری می کند. همچنین این محفظه مبدل را در برابر شرایط محیطی مانند گرد وغبار، نفوذ آب و رطوبت و ... به داخل آن جلوگیری می کند.

حفاظت در برابر نیروی های جانبی وارد شده به مبدل ضروری است. زیرا این عمل از اعمال اضافه بار به عنصر ارتجاعی جلوگیری می کند و دقت اندازه گیری را بالا می برد. برای جلوگیری از تاثیر گذاری محفظه حفاظتی روی دقت اندازه گیری مبدل، معمولا دو انتهای آن را که در راستای اندازه گیری کمیت مورد نظر است، دیافراگمی قرار می دهند که در جهت اندازه گیری نیرو حالت "نرم" را دارد ولی در جهت های عرضی کاملا محکم می باشد.

عنصر ارتجاعی ستونی شکل نشان داده شده در شکل 3 برای اندازه گیری نیروهایی با مقدار 10KN/1t تا 1MN/1000t مناسب می باشد. شکل 4 یک حالت اصلاح شده عنصر ارتجاعی ستونی را نشان می دهد.

سطح مقطع H شکل این عنصر ارتجاعی باعث می شود که آن در مقابل نیروهای جانبی مقاومتر از حالت استوانه ای یکنواخت باشد. استرین گیج ها برای این عنصر در ناحیه H روی یک دیواره افقی نصب شده اند، زیرا در این ناحیه، به خاطر نزدیک بودن آنها به محور خنثی ممان خمشی، حداقل ممان خمشی به آنها از طرف نیروهای جانبی وارد می شود.

در برخی از موارد معمولا مشکل کمبود فضای لازم برای نصب این نوع از مبدل ها وجود دارد. این مشکل طراح را مجبور به استفاده از عنصرهای ارتجاعی اصطلاحا Low-profile می کند. با این حال استفاده از دیسک های ساده در این گونه موارد توصیه نمی شود، زیرا شرط یکنواختی توزیع تنش در این دیسک ها برقرار نیست. از آنجایی که این مورد پیش نیاز اندازه گیری های دقیق می باشد، و چیزی که ما اندازه گیری می کنیم صرفا کرنش های ایجاد شده روی عنصر ارتجاعی هستند که به صورت غیر یکنواخت در سرتاسر حجم عنصر ارتجاعی توزیع شده اند، حال اگر میانگین این کرنش ها اندازه گیری شود، در این صورت نتایج بدست آمده درست خواهد بود. یک نمونه از عنصر ارتجاعی برای این کار در شکل 5 نشان داده شده است که این عنصر الزامات گفته شده در بالا را نسبت به دیسک های مسطح، بهتر برآورده می کند.

اگر هدف اندازه گیری نیروهای کوچک در حد میکرو باشد، در این صورت اعمال نیرو به صورت عمودی و ایجاد تنش در عنصر ارتجاعی همانند قبل، انتخاب درستی نخواهد بود. برای دستیابی به حساسیت قابل قبول ما نیاز به کرنش خاصی روی عنصر فنری داریم. از آنجایی که ما محدودیت هایی در انتخاب عنصر ارتجاعی با سطح مقطع کوچک و همچنین مدول یانگ پایین داریم، بنابراین باید روش دیگری برای این چالش پیدا کنیم. یکی از این روش ها استفاده از بازوی اهرمی و اندازه گیری نیروی خمشی است.

یک حالت ساده از عنصر ارتجاعی برای تیر خمشی در شکل 6 نشان داده شده است.

در این آرایش، سیگنال اندازه گیری شده متناسب با نیروی خمشی اعمالی به عنصر فنری می باشد.

اگر ما بخواهیم با استفاده از این آرایش، نیروهای خمشی اعمالی را اندازه گیری کنیم، باید یک نقطه ثابت و غیرقابل تغییر برای اعمال نیرو در نظر بگیریم، در این صورت طول موثر بازوی اهرمی یعنی L ثابت خواهد ماند. عامل مهم دیگر نحوه اعمال نیرو می باشد که باید به صورت عمودی اعمال شود. این شرط ممکن است در خیلی از موارد به خاطر ساختار تیر کششی، تامین نشود و نیروی اعمالی با زاویه های مختلف به عنصر فنری اعمال شود. با توجه به محدودیت های بالا، عنصر ارتجاعی ساده نشان داده شده در شکل 6 به ندرت در عمل مورد استفاده قرار می گیرد. و به جای آن می توان از آرایش های بهتری برای این کار استفاده کرد. شکل 7 سه مورد از این آرایش ها را نشان می دهد.

عنصر سمت چپ شکل 7 بیشترین هم خوانی را با عنصر ارتجاعی شکل 6 دارد. حساسیت شکل سمت چپ، برای ظرفیت های یکسان، از دو تای دیگر بیشتر می باشد. و شکل سمت راست کمترین حساسیت را دارد

شکل سمت راست در عوض از نظر تولید، ساده ترین ساختار را دارد. همچنین به خاطر شکل هندسی آن، فرکانس های طبیعی آن از بقیه بیشتر است. عنصرهای فنری شکل 7 را می توان برای طراحی مبدل هایی با ظرفیت نامی 5000N/500Kg تا 500KN/50t استفاده کرد.

برای اندازه گیری نیروهای کوچکتر از 100N/10Kg عنصر فنری دیگری توسعه داده شده است که از ویژگی "میله خمشی دوسر" بهره می برد. این عنصرهای فنری در شکل زیر نشان داده شده اند.

یک طراحی قابل استفاده دیگر برای اندازه گیری نیرو، استفاده از تنش های برشی می باشد. تنش های برشی به صورت خالص مثلا در میله های پیچشی اتفاق می افتند. تنش ها و کرنش های برشی به وجود آمده در میله، نسبت به صفحه برشی اعمال بار، در زاویه های °45± و با علامت های مخالف هم به وجود می آیند. انواع مختلفی از میله های برشی (Shear beam) برای اندازه گیری نیرو مورد استفاده قرار می گیرند. اصول کار این نوع از مبدل ها در شکل 9 آورده شده است. در نتیجه‌ی مجموع اثرات متقابل تنش های خمشی و برشی، جهت برآیندهای کلی مولفه های اصلی تنش و کرنش در میله،به نسبت تنش های برشی به خمشی و همچنین فاصله آنها از محور خنثی بستگی دارد. کرنش های اصلی، زمانی که گیج ها در زاویه های °45± درجه نسبت به محور خنثی و روی آن نصب شوند، به صورت صحیح قابل اندازه گیری خواهند بود. البته این عمل به خاطر تغییر در مساحت گیج ها، به صورت تقریبی می باشد.

با تغییر شکل عنصر فنری به صورت شکل 10 می توان به یک بهبود اساسی دست پیدا کرد. در این ساختار به خاطر شکل هندسی محلی که گیج ها نصب می شوند، تنش های خمشی در مقایسه با تنش های برشی بسیار کوچک هستند. به طوری که اثرات آنها در محل نصب گیج ها قابل چشم پوشی می باشد.

یکی از مزیت های مهم استفاده از عنصر فنری شکل 10 این است که در این ساختار نقطه اعمال نیرو می تواند روی محور طولی آن تغییر کند بدون آنکه خطای قابل توجهی در خروجی ایجاد شود. و این در تضاد با میله ساده استفاده شده در شکل 6 برای اندازه گیری نیروهای خمشی می باشد.

مبدل های گشتاور:

مانند مبدل های نیرو، مبدل های گشتاور نیز به یک عنصر ارتجاعی مناسب جهت تبدیل گشتاور به کرنش های سطحی، و اندازه گیری آنها توسط استرین گیج ها، نیاز دارد. ساده ترین حالت برای عنصر ارتجاعی، استفاده از یک شفت استوانه ای مانند شکل 11 می باشد. در این شفت استرین گیج ها در جهت مولفه های اصلی کرنش های ε₁ و ε₂ با زاویه °45± نسبت به صفحه برشی و محور آن نصب می شوند. همانطور که قبلا هم در شکل 1 برای مبدل نیرو نشان داده شد، استفاده از چهار گیج فعال روی عنصر ارتجاعی و در بازوهای پل وتستون، از یک طرف باعث ایجاد سیگنال های خروجی با دامنه بزرگتر و از طرفی برخی از کارهای جبرانسازی را انجام می دهد. اگر استرین گیج ها به صورت دوتایی در طرف های مخالف هم روی عنصر ارتجاعی نصب شوند، تنش های خمشی ایجاد شده اثرات همدیگر را در صفحات X-Y و X-Z از خنثی می کنند. و به همیت ترتیب تنش های عمودی در راستای محور X نیز جبران می شود.

برای گشتاورهای کوچک استفاده از شفت های توپر، هم حساسیت لازم را به دست نمی دهد و هم حساسیت آن در برابر نیروهای خمشی غیرقابل قبول است. یعنی اثرات تنش های خمشی ایجاد شده روی شفت، به طور قابل توجهی در سیگنال خروجی مبدل جبران نمی شوند.

یک راه حل مناسب برای حل این مشکلات استفاده از شفت استوانه ای تو خالی همانند شکل 12 است. ترتیب قرارگیری گیج ها روی این استوانه هم مانند شکل 11 می باشد.

همانند مبدل های نیرو، باید در انتخاب عنصر ارتجاعی برای مبدل های گشتاور باید دقت های لازم صورت گیرد، تا این مبدل ها بتوانند حساسیت های لازم را برای گشتاورهای کوچک در خروجی خود ایجاد کنند. این امر مخصوصا برای مبدل هایی که قرار است در صنعت مورد استفاده قرار بگیرند، اهمیت دوچندان پیدا می کند. زیرا در صنعت ممکن است اختلالات شدید در خطوط تغذیه و یا مسیرهای انتقال، سیگنال اصلی خروجی مبدل را دچار اعوجاج و نویز کند.

شکل 13 یک عنصر ارتجاعی قفس مانندی را نشان می دهد. رنج اندازه گیری این شفت را می توان توسط تعداد میله های قفس ، ابعاد و هم چنین جنس آنها کنترل کرد. برای اندازه گیری گشتاور در این حالت از تنش های برشی ایجاد شده روی شفت استفاده نمی شود بلکه از تنش های خمشی ایجاد شده روی میله ها عمل اندازه گیری صورت می گیرد.