انواع سنسورهای گشتاور

شفت دایره ای - سنسورهای گشتاور به سبک گیره دار

سنسورهای گشتاور به سبک گیره زمانی ایده آل هستند که شکستن شفت و نصب یک سنسور گشتاور خطی امکان پذیر نباشد.

مزایا:

• هزینه کم برای محدوده های گشتاور بالا – اگر شافتی به قطر یک فوت دارید، بستن سنسور گشتاور در مقایسه با نصب سنسور گشتاور درون خطی بسیار ساده تر و مقرون به صرفه تر است.
• محدوده ظرفیت گشتاور پایین
• نرخ RPM بالاتر

معایب:

• دقت کم یا عدم قطعیت بالا - ین سنسور گشتاور را اندازه گیری نمی کند بلکه انحراف در شفت را اندازه گیری می کند.
• مشکل تکرار - برای تکرار نتایج آزمایش باید بدانید شفت چگونه ساخته می شود و خواص شفت چیست.
• به محاسبات ریاضی نیاز دارد - شما باید انحراف شفت را به یک گشتاور تبدیل کنید. این سنسور گشتاور بیشتر برای راحتی است و نه برای کاربردهایی که دقت یک نیاز حیاتی است.

سنسور گشتاور تله متری آنالوگ

در اوایل دهه 1990، سنسور گشتاور تله متری آنالوگ مقرون به صرفه و دقیق شد.

مزایا:

• انتقال داده بدون تماس
• سختی - طراحی روتور فلنج به فلنج اجازه می دهد تا سختی بالایی داشته باشد.
• کم یا تقریباً بدون عکس العمل پس زنی
• نرخ RPM بالا
• نویز الکتریکی کم - به دلیل اینکه خروجی آن از نوع فرکانسی است، کمتر مستعد نویز است.
• وزن و طول - سنسورهای تله متری عموما سبک تر و کوتاه تر از سنسورهای لغزشی یا سنسورهای گشتاور به سبک ترانسفورماتور چرخشی یا حلقه ای هستند.

معایب:

• اینرسی - چون قطر آنها بزرگتر است، اینرسی بیشتر است
• حساس به اشیاء فلزی مجاور - یک محافظ یا یک شیلد می تواند به عنوان یک آنتن ثانویه عمل کند و قدرت یا سیگنال را از حسگر گشتاور دور کند و آن را غیر کاربردی کند.
• زمان پاسخ بهتر اما محدود - این سنسورها پاسخ گشتاور بالاتری نسبت به سنسورهای گشتاور نوع ترانسفورماتور دوار دارند. ...

سنسور گشتاور تله متری دیجیتال

در طول پنج تا ده سال گذشته، تله متری دیجیتال به روشی عملی تر برای ساخت حسگرهای گشتاور تبدیل شده است. آنها نسبت به سایر سنسورها از فناوری بالاتری برخوردار هستند و در مقایسه با سایر سنسورهای گشتاور موجود در بازار دارای مزایای بیشتری هستند.

مزایا:

• عدم قطعیت کمتر - از آنجایی که دیجیتالی است و نرم افزار در آن دخیل است، عدم قطعیت کمتری دارد.
• انتقال داده بدون تماس - در یک محیط 24 ساعته و بدون تعمیر و نگهداری عمل می کند.
• سختی - طراحی روتور فلنج به فلنج اجازه می دهد تا سختی بالایی داشته باشد.
• نرخ RPM بالا
• کم یا تقریباً بدون عکس العمل پس زنی
• نویز الکتریکی کم - به دلیل اینکه خروجی آن از نوع فرکانسی است، کمتر مستعد نویز است.
• وزن و طول - سنسورهای تله متری عموما سبک تر و کوتاه تر از سنسورهای لغزشی یا سنسورهای گشتاور به سبک ترانسفورماتور چرخشی یا حلقه ای هستند.
• زمان پاسخگویی بالا - می تواند از 1 کیلوهرتز تا 10 یا 15 کیلوهرتز زمان پاسخگویی داشته باشد.

معایب:

• اینرسی - چون قطر آنها بزرگتر است، اینرسی بیشتر است
• هزینه - به خصوص در محدوده ظرفیت پایین تر.
• تبدیل داده ها - بسته به نوع خروجی، احتمالا تبدیل های بیشتری وجود خواهد داشت. برای مثال، ممکن است سیگنال پل وتستون از آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود و سپس به خروجی سیگنال آنالوگ برگردد.

ملاحظات کاربردی

برگه اطلاعات سنسور گشتاور منبع مفیدی برای مقایسه سنسورها برای کاربرد خاص شما است. برگه های اطلاعات می توانند نشان دهند که حسگر گشتاور به طور کلی چگونه عمل می کند. با این حال، تمام مقادیر موجود در دیتاشیت در یک محیط آزمایشگاهی ثبت می‌شوند، بنابراین بیشتر داده‌ها استاتیک هستند، و دینامیک یا چرخان نیستند. شما باید در نظر بگیرید که حسگرهای گشتاور هنگام پین کردن در برنامه شما چگونه عمل می کنند.

الزامات دقت (غیر خطی).

دقت اندازه‌گیری یا سطح عدم قطعیت، یکی از نکات کلیدی در هنگام انتخاب سنسور گشتاور است زیرا کاربردهای مختلف به سطوح مختلف عدم قطعیت نیاز دارند. به عنوان مثال:

• تست کارایی، تست تلفات اصطکاک و گشتاور پسا نیاز به عدم قطعیت کم دارند
• تست استقامت، تست پایان تولید و تأیید اسب بخار نیاز به سطوح عدم قطعیت متوسطی دارد
• آزمایش تجهیزات مونتاژ، در برخی مواقع سطح بالاتری از عدم قطعیت را نیاز دارند

چگونه عدم قطعیت اندازه گیری یک سنسور گشتاور را تعیین می کنید؟ عدم قطعیت سنسور به طور کلی دارای شش جزء است:

• خروجی و حساسیت سنسور
• خطی بودن و هیسترزیس
• اثر دما روی نقطه صفر
• اثر دما بر حساسیت خروجی
• تکرارپذیری
• بارگذاری خارج از محور (معمولا محوری، جانبی و خمشی)

شما می توانید از فرمول عدم قطعیت اندازه گیری (1) برای تخمین عدد عدم قطعیت، با استفاده از داده های برگه اطلاعات سنسور گشتاور استفاده کنید.

یکی از عوامل مهم عدم قطعیت سنسور، داده های کالیبراسیون آن است. بنابراین، مهم است که بدانید فروشنده شما از چه نوع تجهیزات کالیبراسیونی استفاده می کند و این تجهیزات کالیبراسیون چقدر عدم قطعیت دارند. در برخی از کشورها، سازمان های حاکمی وجود دارند که اندازه گیری گشتاور را کنترل می کنند. در آلمان، PTB (مشابه موسسه ملی استاندارد و فناوری) صحت تجهیزات کالیبراسیون آزمایشگاه را تیید می کند و گواهینامه صادر می کند. با انتخاب فروشنده ای با دارنده این نوع گواهی، می توانید به داده های برگه داده کالیبراسیون سنسور گشتاور اطمینان بیشتری داشته باشید.

عدم قطعیت اندازه گیری سنسور گشتاور

که در آن:

U_dc خروجی سنسور یا حساسیت آن

U_dlh: خطی + هیسترسیس

U_TK0: اثر دما در نقطه صفر

U_TKc: اثر دما در ماکزیمم خروجی

U_rel: تکرارپذیری

U_para: بارهای غیر محوری

محدوده ظرفیت

هنگام در نظر گرفتن سنسورهای گشتاور، مهم است که تمام گشتاورها و پیک ها را در نظر بگیرید. این پیک ها و اسپایک ها، اگر خارج از محدوده ایمن استفاده باشند، می توانند به سنسور گشتاور آسیب برسانند. اگر دوره های زمانی این اسپک ها به اندازه کافی کوتاه باشد و زمان پاسخ سنسور گشتاور به اندازه کافی کم باشد، ممکن است حتی تا زمانی که به سنسور آسیب وارد نشده است، آنها را در داده های خود مشاهده نکنید. بنابراین، مهم است که محدوده گشتاور خود را بدانید و سنسور گشتاوری را انتخاب کنید که بتواند این اسپایک ها را در خود جای دهد.

علاوه بر این، شما باید تصمیم بگیرید که آیا می‌خواهید این جهش‌های گشتاور را اندازه‌گیری کنید یا فقط از آنها در امان بمانید. اگر می‌خواهید اسپایک ها را اندازه‌گیری کنید، باید مطمئن شوید که خروجی‌های الکتریکی حسگر شما می‌تواند اسپایک هایی را که می‌خواهید بخوانید ، اندازه‌گیری می کند.

با این حال، اگر فقط به اندازه گیری گشتاور کار (متوسط) فکر می کنید، فیلتر الکتریکی یا استفاده از اعضای نرم پیچشی در خط محرکه می تواند اسپایک ها را حذف یا خنثی کند. این به شما امکان می دهد اندازه سنسور گشتاور را به گشتاور کار نزدیکتر کنید.

نرخ اضافه بار

دانستن نرخ های اضافه بار سنسور گشتاور نیز مهم است. به طور معمول، استاندارد صنعتی برای اضافه بار سنسور ایمن حدود 200 درصد از حداکثر گشتاور نامی است - نقطه ای که سنسور شروع به تسلیم شدن می کند. اضافه بار فاجعه بار معمولا می تواند در حدود 400 درصد از حداکثر گشتاور نامی رخ دهد - نقطه ای که در آن پیچ ها ممکن است خسته شوند یا سنسور ممکن است در اثر ترک خوردن یا خم شدن از کار بیفتد.

اگر میزان اضافه بار سخاوتمندانه‌تری را ترجیح می‌دهید، برخی از فروشندگان یک اضافه بار 400 درصد ایمن و 800 درصد اضافه بار فاجعه‌بار را ارائه می‌دهند. با این حال، افزایش درجه اضافه بار، سفتی سنسور گشتاور را افزایش می دهد و رزولشن یا نسبت سیگنال به نویز را کاهش می دهد. همچنین معمولا به این معنی است که سنسور از نظر طراحی بزرگتر و سنگین تر است تا نیروهای قوی تری را در خود جای دهد. شما باید تصمیم بگیرید که آیا امتیاز اضافه بار بالاتر را فدای اندازه، وزن و نسبت سیگنال به نویز می کنید یا خیر.

نرخ چرخش در دقیقه (RPM)

اکثر سنسورهای گشتاور موجود در بازار بین 10000 تا 20000 RPM رتبه بندی می شوند. وزن، بالانس و سرعت بحرانی فاکتورهایی هستند که باید هنگام انتخاب درجه RPM سنسور در نظر گرفته شوند.

وزن - معمولا وقتی در محدوده ظرفیت بالا می روید، سنسور گشتاور باید آهسته تر بچرخد - بیشتر به دلیل وزن و قطر آن. برخی از سنسورهای گشتاور با دورهای بالاتر وجود دارند که تا 30000 دور در دقیقه نرخ بندی می شوند.

بالانس- برخی از حسگرهای گشتاور قبل از ارسال در کارخانه بالانس می شوند. اگر سنسور گشتاور از قبل متعادل باشد، معمولا به درجه تعادل G 2.5 می رسد.

سرعت بحرانی - سرعت بحرانی همان RPM است که در آن خط محرکه می خواهد ناپایدار شود. معمولا سنسور گشتاور اولین چیزی است که در این نوع شرایط از کار می افتد. برای کمک به جلوگیری از سرعت بحرانی، می توانید یک سنسور گشتاور با بلبرینگ و مانت پایه ای انتخاب کنید. این باعث کوتاه شدن شفت می شود زیرا سنسور گشتاور به عنوان یک بلوک یاتاقان عمل می کند.

الزامات خروجی

خروجی حسگر گشتاور شما معمولا به نوعی سیستم اندازه گیری ابزار دقیق مانند سیستم های اندازه گیری خروجی استرین گیج ها یا سیستم جمع‌آوری داده (DAQ) می‌رود. در سنسورهای گشتاور واکنش - یا سنسورهای گشتاور مدل قدیمی، از نوع حلقه لغزش - خروجی ها معمولا میلی ولت بر ولت است که یک خروجی استرین گیجی است. هنگام استفاده از چنین خروجی، معمولا از یک تقویت کننده اندازه گیری AC یا DC برای تغذیه سنسور استفاده می شود. سپس این تقویت کننده خروجی را به یک سیگنال قابل استفاده، معمولا آنالوگ یا دیجیتال، تنظیم می کند. سیگنال‌های دامنه DC مثبت یا منفی ۱۰ ولت اغلب بیشتر از خروجی فرکانسی یا خروجی دیجیتال مستعد نویز هستند.

خروجی های فرکانس نسبت به خروجی های دامنه کمتر مستعد نویز هستند. بنابراین سنسورهای گشتاور مدرن تر نیز خروجی فرکانس ارائه می دهند:

• 10 کیلوهرتز 5+/-کیلو هرتز
• 60 کیلوهرتز 30+/-کیلوهرتز
• 240 کیلوهرتز 120+/-کیلو هرتز

هرچه فرکانس کمتر باشد، تفکیک پذیری بهتر است. به عبارت دیگر، خروجی 10 کیلوهرتز معمولا وضوح بیشتری نسبت به خروجی 240 کیلوهرتز دارد. این به این دلیل است که افزایش فرکانس معمولا نویز بیشتری را در انتهای پایین ایجاد می کند. با این حال، مزیت خروجی فرکانس بالاتر این است که می تواند زمان پاسخ را افزایش دهد و تأخیر انتشار را کاهش دهد - زمانی که طول می کشد تا یک رویداد گشتاور در ورودی اتفاق بیفتد و سپس در خروجی سنسور گشتاور دیده شود.

خوب است توجه داشته باشید که سنسورهای گشتاور دیجیتال می توانند خروجی هایی مانند CAN، ProfiBus، ProfiNet و EtherCAT داشته باشند. به دلیل تبدیل سیگنال کمتر، عملکرد کلی می تواند بهبود یابد. اگر سنسور گشتاور مجهز به خروجی های دیجیتال نیست، معمولا می توانید یک دستگاه جداگانه برای برقراری ارتباط دیجیتال خریداری کنید.

زمان پاسخگویی

هنگام ارزیابی سنسورهای گشتاور، مهم است که الزامات زمان پاسخ برنامه خود و همچنین نسبت بین نرخ نمونه برداری و زمان پاسخ را در نظر بگیرید تا از پدیده Aliasing اجتناب شود. برخی از سنسورهای گشتاور دارای نسبت 3:1، 6:1 یا حتی 12:1 هستند. زمان‌های پاسخ بالا به شما امکان می‌دهد ارتعاشات پیچشی را اندازه‌گیری کنید.

شرایط محیطی

شرایط محیطی مانند دما، خاک، روغن، خوردگی و EMI باید بر انتخاب شما در سنسور گشتاور تأثیر بگذارد.

دما

مانند همه سنسورهای مبتنی بر کرنش سنج، حسگرهای گشتاور به دما حساس هستند، بنابراین مهم است که شرایط دمایی محیط کاری سنسور را بدانید.

یک تغییر گرادیان هنگامی که به سمت پایین شفت فلزی می رود، ابتدا روی یک طرف سنسور گشتاور تأثیر می گذارد. به طور موثر، یک طرف سنسور گشتاور می تواند گرم تر از طرف دیگر باشد و احتمالا باعث پیچش سنسور می شود.

سازنده سنسور گشتاور اغلب می تواند اطلاعاتی در مورد نحوه عملکرد سنسور در شرایط تغییرات دما ارائه دهد. معمولا سنسورهای گشتاور در محفظه هایی قرار می‌گیرند که در آن درجه حرارت های مختلف به سنسور اعمال می شود، تا داده‌هایی در مورد عملکرد حسگر گشتاور در محیطی با تغییر دما جمع‌آوری شود. توجه به این نکته مهم است که هر چه سنسور استرین گیج بیشتری در ساخت سنسور گشتاور استفاده شود، آن سنسور در طول تغییرات دما بهتر عمل می کند. همچنین اگر سنسور فولادی به درستی ساخته شوند، اثرات تغییر دما به حداقل می رسد.

خاک، روغن و خوردگی

ساختار سنسور گشتاور را از نظر محافظت در برابر کثیفی، روغن و خوردگی - به ویژه قطعات حساس تر، در نظر بگیرید. درجه حفاظت سنسورها باهمدیگر متفاوت هستند.

همچنین باید بدانید که داده‌های حسگر گشتاور چگونه منتقل می‌شوند و آیا روش انتقال نسبت به روغن‌ها و کثیفی حساس است یا خیر. برای مثال، در حسگرهای حلقه لغزش، کثیفی و روغن بیشتر بر انتقال سیگنال به دنیای بیرون تأثیر می‌گذارند. این سنسورها نسبت به سیستم های تله متری دیجیتال بیشتر در برابر روغن و آلودگی حساس هستند.

تکانه های الکترومغناطیسی (EMI)

سنسورهای گشتاور اساسا آنتن هستند - آنها دارای سیم پیچ در داخل خود هستند، بنابراین کابل کشی مناسب، شیلد بندی و اتصال به زمین آنها بسیار مهم است.

ملاحظات دینامیکی

سنسورهای گشتاور مدرن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که از نظر پیچشی، سفت و با زمان‌های پاسخ فرکانس بالاتر باشند. این به کاربر نهایی توانایی بیشتری برای اندازه گیری گشتاور دینامیکی می دهد

تصویر زیر گشتاور موتور دیزلی را نشان می دهد که روی یک دینامومتر اندازه گیری شده است که دارای حسگر گشتاور درون خطی و همچنین بازوی اهرمی و لودسل است. اگر فرکانس گشتاور نوسانی بیشتر از فرکانس طبیعی دینامومتر باشد، پیکربندی بازوی اهرمی می تواند به عنوان یک فیلتر مکانیکی پایین گذر، معمولا حدود 20 هرتز عمل کند.

در اینجا، لودسل بازوی اهرمی (به رنگ آبی) سیگنال گشتاور متوسط فیلتر شده را می دهد. در حالی که سنسور گشتاور درون خطی (قرمز) سیگنال گشتاور دینامیکی تری به شما می دهد - این مزیت سنسور های گشتاور چرخان است.

هنگامی که یک شفت شروع به چرخیدن می کند، تعدادی از اثرات می تواند رخ دهد که بر حسگر گشتاور و توانایی آن در خواندن صحیح گشتاور تأثیر می گذارد. ملاحظات دینامیکی باید شامل اثرات چرخشی، سرعت های بحرانی و بارهای اضافی باشد.

اثرات چرخشی

اثرات چرخشی می تواند بر خروجی سنسورهای گشتاور تأثیر بگذارد. یک نوع اثر چرخشی مزاحمت باد هوا می باشد. متأسفانه اثرات چرخشی در اکثر دیتاشیت ها فهرست نشده است. این به این دلیل است که اثرات چرخشی بسته به RPM متفاوت است و می تواند از برنامه ای به برنامه دیگر تغییر کند و تعیین کمیت را دشوار می کند. با این حال، برخی از شرکت ها اثرات چرخشی را جبران می کنند.

سرعت های بحرانی

برای کمک به حذف سرعت های بحرانی یک شفت دوار، یک حسگر گشتاور ایده آل، باید سفتی بی نهایت داشته باشد، کاملا بی وزن باشد و طول نداشته باشد. در حالی که این امر غیرممکن است، تولید کننده باید سعی کند یک حسگر گشتاور را تا حد ممکن سفت، تا حد امکان سبک و تا حد امکان کوتاه بسازد.

در یک RPM خاص، شفت می خواهد ناپایدار شود و در مواقع بحرانی، شفت به عنوان یک موج سینوسی یا ارتعاش عمل می کند. هنگامی که شفت ناپایدار می شود، حسگر گشتاور مستعد خرابی مکانیکی مانند ترک خوردن به دو قطعه است. بنابراین، همیشه خوب است که قبل از استفاده، تست آنالیز پیچشی محور چرخان خود را انجام دهید.

این ایده خوبی است که وزن بیشتر حسگرهای گشتاور را تا حد امکان به یک بلوک یاتاقان در پایه تست نزدیک نگه دارید. در تصویر زیر، سنسور گشتاور و کوپلینگ نزدیک به دینامومتر - در این مورد، یک موتور الکتریکی - در سمت چپ قرار دارند. با نگه داشتن بیشتر وزن نزدیک به یک بلوک یاتاقان، می توانید سرعت بحرانی خود را خارج از محدوده اندازه گیری ببرید و به جلوگیری از یک وضعیت فاجعه آمیز کمک کنید.

بارهای انگلی

بارهای انگلی نیروهای محوری، نیروهای جانبی و نیروهای لنگر خمشی هستند که هنگام چرخش شفت رخ می دهند. این نیروهای خارج از محور می توانند خطای بسیار بزرگی را مانند تغییرات دما به سنسور گشتاور چرخشی اضافه کنند. حذف این نیروها به شما کمک می کند تا دقت تست خود را افزایش دهید یا عدم قطعیت را کاهش دهید.

تامین کننده سنسور گشتاور می تواند به شما در درک این نیروهای انگلی، نحوه تاثیر آنها بر حسگر گشتاور و میزان خطای اعمالی این نیروها به سنسور گشتاور کمک کند. اکثر تولیدکنندگان محدودیت‌هایی را برای نیروهای انگلی در برگه‌های اطلاعات خود قائل هستند. حداکثر این محدودیت ها می تواند بر خروجی سنسور گشتاور تأثیر بگذارد. به طور معمول، اگر به 100 درصد از محدودیت های ترکیبی نیروی انگلی برسید، می توانید انتظار خطای 0.3 درصدی Full Scale را در سنسور گشتاور خود داشته باشید. بنابراین، به حداقل رساندن بار انگلی در برنامه مهم است.

الزامات فیزیکی

هنگام انتخاب سنسور گشتاور، در درجه اول باید محدودیت های فیزیکی کاربرد خود را بدانید، تا بتوانید طول و وزن سنسور را در نظر بگیرید. سنسورهای گشتاور فلنج به فلنج اغلب کوتاه‌تر، سبک‌تر و سفت‌تر هستند. سنسورهای گشتاور شفت دایره‌ای معمولا طولانی‌تر و سنگین‌تر هستند و عملا همیشه سفت‌تر هستند

سنسورهای فلنج به فلنج معمولا قطر بیشتری دارند. شفت‌های دایره‌ای معمولا قطر کوچک‌تری دارند. بنابراین، یک سنسور گشتاور دایره‌ای می‌تواند به یک بلوک یاتاقان تبدیل شود و سرعت بحرانی پیشرانه را تغییر دهد

پیکربندی نصب سنسور گشتاور تعیین می کند که از چه نوع کوپلینگ هایی باید استفاده کنید. سنسورهای گشتاور فلنج به فلنج معمولا حسگرهای گشتاور شناور هستند. آنها روی پا نصب نمی شوند و معمولً به یک کوپلینگ نوع دوبل فلکس نیاز دارند. سنسورهای گشتاور محور دایره‌ای بدون پایه نیز به یک کوپلینگ دوگانه خمشی نیاز دارند.

ملاحظات هزینه یا بودجه

هزینه سنسور گشتاور با موارد زیر افزایش می یابد:

• محدوده ظرفیت بالاتر
• دقت بهتر (عدم قطعیت کمتر)
• نرخ RPM بالاتر
• عدم تماس
• خروجی های بیشتر
• تنظیمات سفارشی
• نرم افزار

در حالی که هزینه تقریبا همیشه عاملی در خریدهای تجاری است، پس از برآورده شدن سایر نیازهای شما، هزینه باید در آخرین مرحله مورد توجه قرار گیرد. ارزش گذاری هزینه نسبت به سایر نیازها ممکن است منجر به آزمایش نادرست یا آسیب دیدن سنسور شود.