Měřicí systém pro tenzometrická měření sil a vážení

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 257 Měřicí systém pro tenzometrická měření sil a vážení OUJEZDSKÝ, Aleš 1 & SKOTNICA, Jaromír 2 1 Ing., Katedra 455, VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15., Ostrava-Poruba, 708 33 ales.oujezdsky @vsb.cz 2 Ing., jaromir.skotnica@vsb.cz Abstract: V příspěvku jsou stručně nastíněny metody a principy používané pro měření statických a dynamických účinků sil. Podrobněji se práce se zabývá odporovými tenzometry zapojenými do měřicích můstků a jejich napájecími zdroji, přenosem a zesilováním měřených signálů, jejich digitalizací a zpracování pomocí měřicí karty v počítači PC. Dalším úkolem byl návrh programů pro zpracovávání a zaznamenávání měřených hodnot při tenzometrickém měření sil a vážení. Programy jsou realizovány ve vývojovém prostředí Control Web 2000 a umožňují snímat data, vypočítávat parametry a prostřednictvím vizualizačních panelů zobrazovat měřené a vypočítané hodnoty v podobě zobrazovacích polí a grafů na obrazovce počítače PC. Keywords: mechanická deformace, tenzometrický snímač, měřicí zesilovač, počítač PC, program. prostředí Control Web2000 1 Úvod Měření sil a vážení je nedílnou součástí mnoha technologických procesů a uplatňuje se v širokém spektru při průmyslové výrobě, navrhování strojů, přístrojů, testování odolnosti a zatížitelnosti, ale i v ekonomickém aspektu při nákupu, prodeji, dopravě, ba dokonce je vážení důležitým prvkem v běžném životě každého z nás. Rozvoj v této oblasti je velmi znatelný a pokud se nejdříve používalo principů měření vesměs mechanických, pak nyní se využívá měření založeném na principu převodu neelektrických veličin na veličiny elektrické s vyhodnocením pomocí počítačových systémů s měřicími kartami, které obsahují přesné zesilovače a analogo-digitální převodníky s vysokým rozlišením. Rozvoj v oblasti výpočetní techniky přináší také přehlednější a dokonalejší softwarové rozhraní při komunikaci mezi obslužným uživatelem a měřicím systémem. Přestože jde rozvoj v dané oblasti rychle kupředu i nadále se však používají k počátečnímu převodu neelektrické veličiny (mechanická deformace) na veličinu elektrickou odporových tenzometrů. Tyto však jsou navrhovány pro vysokou přesnost a stabilitu parametrů. K dispozici jsou rovněž stále přesnější měřicí zesilovače, stabilnější napájecí zdroje, vícebitové převodníky a dokonalejší hardwarová zařízení v podobě výpočetních systémů s flexibilním programovým vybavením. 2 Principy měření sil a vážení pomocí tenzometrických snímačů Při řešení snímačů tahových nebo tlakových sil se využívá následujících fyzikálních principů: Deformace tělesa Změny magnetických vlastností tělesa Změny elektrických vlastností tělesa Piezoelektrického jevu

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 258 Ostatní řešení (změna rezonanční frekvence mechanického prvku, fotoelasticimetrie apod.) Působením tahové nebo tlakové síly na geometricky a materiálově definované těleso (siloměrný člen) dosáhneme deformaci tohoto tělesa. Velikost deformace můžeme měřit dvěma způsoby: a) Měřením posunutí (změny polohy) b) Měřením mechanického napětí Obrázek 1 - Způsoby měření síly Uspořádání je naznačeno na Obrázku 1. Nosník (2) vetknutý na jednom konci je na volném konci namáhán tahovou nebo tlakovou silou. Velikost síly F můžeme tedy měřit snímačem polohy (posunutí) (3) nebo snímačem mechanického napětí (1). Jako snímače posunutí jsou výhodné především snímače indukčnostní nebo kapacitní. V případě, že budeme měřit u siloměrného členu mechanické napětí, lze využít kteréhokoli tenzometru. Nejlepších výsledků je dosahováno při měření pomocí odporových tenzometrů. Na siloměrném členu je obvykle lepením připevněn celý měřicí můstek a dále jsou zde umístěny obvody pro nulování a teplotní kompenzaci. 2.1 Siloměrná čidla s odporovými tenzometry Princip měření pomocí elektrických odporových tenzometrů je založen na změně elektrického odporu vodiče v závislosti na jeho mechanické deformaci. Podle druhu odporového materiálu lze tyto tenzometry rozdělit na : polovodičové kovové - drátkové kovové fóliové a napařované Označíme-li poměrné prodloužení ε: dl l = ε (2.1) pak pro určitou konečnou změnu odporu R platí rovnice: R = k.ε R (2.2) Veličina k v rovnici (2.2) se nazývá deformační součinitel (příp. k - faktor) a je jí nutno určit experimentálně cejchovním měřením. Pro většinu běžně dostupných tenzometrů bývá k = 2 a pro jejich výrobu se používají materiály, pro které je tento k - faktor konstantní ve velkém rozsahu deformací.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 259 Změny odporu tenzometrů v důsledku jejich deformace při tenzometrických měřeních jsou poměrně velmi malé, pro pružné deformace v rozsahu 10-6 až 10-3 Ω a u tenzometru s nominálním odporem 120 Ω je změna odporů dána dle vztahu: 6 3 4 1 ( 10 ) = 2,4. ( 10 10 ) R = R. k. ε = 120.2. 10 [Ω] (2.3) Měření takovýchto malých odporových změn se prakticky provádí pomocí Wheatstonova můstku. Obrázek 2 - Zapojení odporů do Wheatsonova můstku 3 Popis měřicího systému Vlastní aparatura pro tenzometrická měření sil a vážení se skládá z několika částí: Napájecí zdroj Tenzometrický snímač RC Filtr Měřicí zesilovač Měřicí karta PCA 1608A Počítač PC Obrázek 3 - Blokové schéma aparatury pro tenzometrická měření sil a vážení 3.1 Vetknutý nosník Tento nosník byl použit pro měření parametrů odporových tenzometrů a vážení. Na vetknutém nosníku (1) je nalepen celý měřicí můstek se čtyřmi tenzometry (2). Připojen je k napájecímu zdroji a k měřicím vyhodnocovacím obvodům.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 260 Obrázek 4 - Vetknutý nosník s tenzometrickým můstkem Nalepené tenzometry tvoří celý můstek se čtyřmi aktivními tenzometry. Pro shodné tenzometry je výstupní signál dán vztahem: U R = U B. U B. k. ε1 [V] (3.1) R m = U B napájecí napětí [V] k deformační součinitel ε 1 poměrné prodloužení Pro tento tenzometrický můstek udává výrobce deformační součinitel k = 2,06. 3.2 Planžeta s tenzometrem Jedná se o kovovou ocelovou planžetu (2) uchycenou na obou koncích (1) a odporovým tenzometrem nalepeným ve středu planžety (3). Planžeta byla použita pro měření základních parametrů odporových tenzometrů. K měření byla pro tuto planžetu vytvořena aplikace Ctvrt_můstek. Obrázek 5 - Planžeta s nalepeným tenzometrem Na planžetě je nalepen jen jeden aktivní tenzometr. Ostatní vysoce stabilní odpory jsou součástí vyhodnocovací elektroniky měřicího systému. Pro výstupní signál z čtvrtmůstku platí vztah: U B R U B U m =. =. k. ε1 [V] (3.2) 4 R 4 Pro tento tenzometr udává výrobce deformační součinitel k = 2. 3.3 Měřicí zesilovač AD624 Integrované obvody řady AD624 jsou vysoce přesné měřicí zesilovače s nastavitelným zesílením, určené zejména pro zesilování nízkoúrovňových napětí průmyslových čidel (termoelektrických článků, odporových teploměrů, tenzometrických můstků atp.) a pro obecné i náročné přístrojové aplikace.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 261 Charakteristické vlastnosti: Nastavitelné zesílení 1, 100, 200, 500 Nízký vstupní offset, drift a šum Vysoká linearita zesílení Velké potlačení vstupního souhlasného napětí Dobré dynamické vlastnosti Vysoký vstupní odpor Široký rozsah napájecích napětí Nastavení zesílení Standardní zesílení 1, 100, 200, 500 se nastaví pomocí vnitřních rezistorů propojením vývodů pouzdra, případně můžeme připojením vhodného odporu na vývody 3 a 16 dosáhnout žádaného zesílení dle vztahu: 40000 +1 G = R (3.3) V obvodu byl použit přesný a stabilní odpor R=960 Ω, čímž bylo zesílení nastaveno na hodnotu G=42,67. 3.4 Měřicí karta PCA 1608A Multifunkční PC karty řady PCA-1608A jsou vhodnými typy pro aplikace s vyššími požadavky na přesnost a pro měření signálů velkého dynamického rozsahu. Nejzřetelnějším rozdílem PCA-1608A oproti řadě standardních PC karet je samostatné řešení každého analogového kanálu. PC karta obsahuje 4 A/D převodníky (s možnosti rozšíření na 8) společně izolovaných od obvodů počítače. Popsaná struktura umožňuje nejen výrazné zlepšení vstupních parametrů (vyloučení chyby multiplexerů, doplnění funkce antialiasing filtrů apod.), ale navíc i zcela synchronní vzorkování všech analogových signálů. Pro případ většího počtu měřených signálů je karta vybavena multicard master-slave logikou umožňující efektivní rozšiřování systému paralelním řazením více karet; výhoda synchronního vzorkování zůstává zachována pro všechny karty v počítači. Jádrem PC karty je řídicí mikropočítač zpracovávající data ze všech A/D převodníků a kompenzující offset jednotlivých kanálů podle uživatelských dat uložených v paměti EEPROM. Naměřená data jsou přenášena prostřednictvím vyrovnávací paměti typu FIFO umožňující 256x redukovat frekvenci volání přerušení a PC karta PCA-1608A je vhodná i pro aplikace pracující v prostředí Windows. Mimořádnou vlastností PCA-1608A je rovněž oddělení vstupních zesilovačů na samostatné desky; vlastní zásuvná PC karta tak obsahuje pouze A/D převodníky a zásuvky pro umístění dvou čtyřkanálových modulů řady XM-1608. Vzhledem k řadě vyráběných typů modulů lze pružně modifikovat vlastnosti vstupních obvodů podle požadavků aplikace, popř. i moduly kombinovat pro současné dosažení různých rozsahů. 4 Vizualizace a vyhodnocení měření v systému Control Web 2000 V prostředí Control Webu byla vytvořena aplikace pro měření s odporovými tenzometry pro vetknutý nosník i pro planžetu s tenzometrem. Pro programování se používá textový a grafický editor, přičemž veškeré vizualizační objekty se programují v grafickém editoru, práce s měřeným signálem jako zpracovávání, převádění, filtrování atp. je programováno v textovém režimu. Signál vstupující do měřicí karty přes vstup AI3 je digitalizován a díky ovladači k němu může přistupovat Control Web jako k proměnné typu real prostřednictvím tzv. kanálu. Následně se s proměnou pracuje v jednotlivých procedurách v textovém režimu. Programovací prostředí v textovém režimu značně připomíná programovací jazyk Pascal.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 262 Syntaxe jednotlivých příkazů, cyklů a procedur je téměř shodná jako v jazyku Pascal. Veškeré operace se vstupní proměnnou se provádějí prostřednictvím programovacích algoritmů. 4.1 Aplikace Můstek Tato aplikace je určená pro měření statických a dynamických sil a to s pomocí dvou přípravků popsaných v kapitole 3.1 a 3.2. Přípravku, vetknutého nosníku, s tenzometrickým můstkem bylo také využito k vytvoření váhy s jmenovitou hmotností 4 kg. Na měřicí kartě PCA 1608A byl používán analogový vstup AI3 s měřicím rozsahem ±250mV. Aplikace je tvořena čtyřmi panely. První panel slouží k měření parametrů použitých tenzometrů, druhý panel je historickým trendem pro archivování a zobrazování měřených hodnot dynamických měření. Třetí panel obsahuje graf pro zobrazení okamžitých průběhů a možností archivace dat do souboru. Čtvrtý panel vytváří vlastní váhu s různými funkcemi. Historický trend a graf zobrazují a archivují přímo okamžité hodnoty ze vstupního kanálu měřicí karty. Pro výpočty parametrů tenzometrů a pro vážení se používá filtrace klouzavým průměrem. Aplikace obsahuje panel Servisní menu, který umožní nastavení se hodnoty ustalovacího intervalu a kalibraci váhy pomocí kalibračního závaží. Ustalovací interval je dán mezemi, ve kterých se může měnit měřená hodnota, aniž by došlo k pohasnutí indikátoru ustálení. Panel Parametry Panel slouží k měření a archivaci parametrů tenzometrů, jako jsou relativní prodloužení ε a poměru R/R. Pro celý můstek platí vztah: u ε = [ ] (4.1) U. k U napájecí napětí můstku [ V ] u výstupní napětí můstku [ V ] k součinitel deformační citlivosti R = R k.ε [ ] (4.2) Před vlastním měřením nejdříve po ustálení napětí provedeme nulování. Nulujeme napětí, které vzniká rozvážením můstku a offsetem měřicího zesilovače. Výpočet se provádí z filtrovaného napětí klouzavým průměrem. Standardně je nastaven klouzavý průměr s 64 prvky. Toto nastavení se dá přepínačem přepnout. Kliknutím na tlačítko Výpočet dojde k vypočítání parametrů. Pomocí tlačítka Archivace uložíme hodnoty do dříve inicializovaného souboru. Data jsou ukládána do databázového souboru s příponou *.DBF, který lze otevřít například v programu Excel.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 263 Obrázek 6 - Panel Měření parametrů tenzometrů Panel Historický trend Historický trend slouží k zaznamenávání naměřených hodnot při dynamických měření. V menu historického trendu lze data ukládat do databázového souboru *.DBF, data lze také ukládat do souboru *.TVI. Tento soubor uloží celý trend v grafické podobě a zpětně se dá zobrazit v prohlížeči trendů Trendwvr.exe, který je součástí Control Webu 2000. Tlačítkem Start trendu se začnou měřená data zobrazovat a přímo ukládat do databázového souboru. Obrázek 7 - Panel "Historický trend" Pokud jsou data naměřena, můžeme si uložena data zobrazit a pracovat s celým trendem. Možností práce s historickým trendem je mnoho a uživatel s pomocí nápovědy velmi jednoduše pronikne do hloubky této problematiky. Panel Graf Tento panel zobrazuje okamžité hodnoty v grafu s možností přímé archivace dat do databázového souboru a následným uložením. Graf funguje jako osciloskopická obrazovka a výhodou oproti historickému trendu je možnost přepínání zesílení v mv/dílek. Díky tomu můžeme přesně zobrazit i malé změny měřeného signálu. Změna zobrazení se provádí multipřepínačem. Měřítko grafu je přizpůsobeno maximálnímu výstupnímu napětí můstku, což je při maximálním zatížení U = 4mV.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 264 Graf se začne zobrazovat stisknutím tlačítka Zobrazení grafu. Tlačítko Smazání grafu slouží k vymazání obrazovky. Pro archivaci je třeba nejlépe inicializovat soubor tlačítkem Inicializace souboru. Pokud už soubor tohoto jména existuje, dojde k vymazání starých dat, případně nenachází-li se tento soubor v dané složce, je vytvořen. Tento soubor potom funguje jako schránka, do které se postupně ukládají naměřené hodnoty. Po ukončení měření je nutno kliknutím na ikonu složky soubor uložit na libovolné místo na disku pod zvoleným názvem. Obrázek 8 - Panel "Graf" Panel Váha Přípravek s vetknutým nosníkem byl vytvořen nejen pro měření dynamických vlastností tenzometrů, ale také pro vážení. Snímače tvoří váhu pro měření hmotnosti do jmenovitého zatížení 4 kg. Váha byla kalibrována přesnými závažími s hmotností 0,25 kg, 0,5 kg, 1 kg a 2 kg. Váhy lze použít pro přesná vážení s přesností na 0,01kg. V servisním menu je možnost přesné kalibrace. Kalibrace se provádí vložením přesného závaží a zadáním hmotnosti závaží do kalibračního menu. Stisknutím tlačítka Kalibruj se přesně nastaví kalibrační konstanta. Obrázek 9 - Panel "Váha" 5 Závěr V příspěvku je stručně popsán model systému pro tenzometrická měření sil a vážení, který byl koncipován jako laboratorní úloha.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 265 Vlastní řešení se skládá z několika stěžejních částí. Pro použité odporové tenzometry byl zkonstruován napájecí zdroj, navrhnut měřicí zesilovač a zesílený signál je počítačově zpracováván a vyhodnocován pomocí měřicí karty PCA 1608A s použitím programovacího prostředí Control Web 2000. Měřicí zesilovač je tvořen precizním zesilovačem AD 624 fy Analog Devices. Součástí měřicího zesilovače jsou i pomocné obvody tvořeny D/A převodníkem pro kompenzaci pevné zátěže. Napájecí zdroj byl konstrukčně řešen s ohledem na to, že snímače mohou být dosti vzdáleny od vlastního zdroje, a proto je nutno počítat s napěťovým úbytkem na napájecích vodičích, který bude kolísat s okolní teplotou. Proto byl zdroj navržen tak, aby úroveň napájecího napětí byla snímána pomocí dvou zvláštních vodičů přímo na snímačích a přiváděna zpět ke zdroji. Napěťová smyčka dodává porovnávací napětí pro regulátor napájecího zdroje. Jako vývojové programovací prostředí byl použit systém Control Web 2000. V grafickém režimu programovacího prostředí byly navrženy jednotlivé panely aplikací, jejich vzhled a rozmístění jednotlivých virtuálních přístrojů. V textovém režimu byly vytvořeny algoritmy zpracovávající měřený signál. Cílem aplikací bylo využít co nejvíce vlastností a výhod systému Control Web k měření, archivování a zobrazování měřených hodnot. 6 Literatura OUJEZDSKÝ, A., 2002. Systém pro tenzometrická měření statických a dynamických sil. VSB-TU Ostrava, kat 455, Diplomová práce, 2002. HUTYRA, M., DUBEC, M., HORÁK, B. 1994. Měření neelektrických veličin I. 1. vyd. Ostrava : VŠB, 1994. 148 s. ISBN 80-7078-221-8. PCA-1608A Uživatelská příručka. Tedia, 1998. ControlWeb 2000, Firemní dokumentace online. http://www.mii.cz