Как подключить тензодатчик веса

Неправильно подключенный тензодатчик приведет к некорректной работе всей весоизмерительной системы. В худшем случае при неверной установке он выйдет из строя, приведет к поломке других компонентов оборудования. В этой статье мы расскажем, как правильно подключить тензодатчик к весам, чтобы избежать подобных проблем.

Принцип работы тензодатчика

В основу работы датчика положен тензоэффект – способность материала менять электрическое сопротивление при деформировании. Данный принцип открыт в 17 веке и описан законом Гука.

В конструкции тензодатчика деформируемым элементом чаще всего является тонкая фольга, уложенная змейкой. Такой проводник закрепляют на измерительное тело – балку, консоль, мембрану, колонну. Именно оно первично воспринимает вес, скручивается, растягивается или иным образом меняет свою форму под воздействием нагрузки, деформируя проводник.

Изменение геометрии измерительного тела влечет за собой изменение сопротивления наклеенных на него тензорезисторов, которые расположены внутри тензодатчика по мостовой схеме Уинстона. Затем сигнал передается контроллеру, выводится на табло, поступает в компьютер для анализа, хранения или других операций.

Общие правила подключения

Чтобы не повредить тензодатчик во время монтажа, упростить работу, соблюдайте следующие правила:

·                не допускайте ударов по корпусу тензодатчика, не роняйте прибор;

·                не поднимайте устройство за кабель, старайтесь не тянуть провода;

·                завершите сварочные работы до крепления и настройки тензодатчика, чтобы сварочный ток не вывел его из строя;

·                подготовьте милливольтметр и мегаомметр, либо качественный мультиметр с высокой чувствительностью;

·                перед установкой тензодатчика подготовьте посадочные места, выровняйте их по уровню;

·                подготовьте инструкцию, технический паспорт, сертификат о калибровке для сверки параметров при проверке и настройке;

·                выберите помещение со стабильной температурой для настройки и калибровки весоизмерительной системы.

Четырехпроводная, шестипроводная схема подключения тензодатчика

Четырехпроводные датчики используются для подключения непосредственно к контрольному блоку. Провода, которые поставляются в комплекте с тензодатчиком, не рекомендуется укорачивать или наращивать. Это неизбежно приведет к изменению характеристик прибора. Влияние сопротивления питающей линии можно компенсировать программными способами, но температурную компенсацию выполнить не удастся.

Если тензодатчик закреплен в одном месте, а вывод данных нужно организовать в другом, удаленным на значительное расстояние, используют шестипроводное подключение. С двух дополнительных проводов (+ Sen и – Sen) снимают данные о падении напряжения в кабеле, чтобы выполнить компенсацию автоматически.

Маркировка проводов тензодатчика

Распиновка 4-х жильных кабелей тензодатчика

    Большинство датчиков поставляются с инструкцией, в которой приведена расшифровка цветового обозначения проводов. Чаще всего распиновка выглядит следующим образом(РИС.1):

·                КРАСНЫЙ+ провод – плюсовой вход (Питание+,Exc+);

·                ЗЕЛЕНЫЙ+ провод – плюсовой выход (Сигнал+, Sig+);

·                ЧЕРНЫЙ- провод – минусовой вход (Питание-, Exc- );

·                БЕЛЫЙ- провод – минусовой выход (Сигнал-, Sig-).

Распиновка 6-х жильных кабелей тензодатчика

В тензодатчиках шестипроводного типа присутствует еще два провода (вероятнее всего, окрашены в СИНИЙ+ и ЖЕЛТЫЙ- цвета). Они соответствуют положительному(Sen+) и отрицательному(Sen-) сенсорному проводу (РИС.2)

Соединение 4-х жильного и 6-ти жильного кабеля тензодатчика.

Наличие 2-ух(двух) дополнительных сенсорных проводов (синий+ и желтый-) было более актуально 20-30 лет назад, когда качество проводов тензодатчика было недостаточным (Неравномерность сечения провода приводила к скачкам напряжения). Их функция в том, чтобы измерять реальное напряжение питания на измерительном мосту (Мосту Уинстона). При соединении кабеля 4 и 6 жил, Сенсорный провод+,Sen+ (СИНИЙ+) соединяется перемычкой(либо «WAGами») с Питанием+, Exc+(КРАСНЫЙ+). Сенсорный провод-, Sen-(ЖЕЛТЫЙ-) соединяется перемычкой с Питанием- Exc-(ЧЕРНЫЙ-). Смотрите РИС.3.

Соединение 6-х жильного и 4-ти жильного кабеля тензодатчика.

В этом случае Сенсорный провод+, Sen+(СИНИЙ+) имитируют, включая его от Питания+, Exc+ (КРАСНЫЙ+). Сенсорный провод-, Sig-(ЖЕЛТЫЙ-) имитируют, включая его от Питания-,Exc-(ЧЕРНЫЙ-). Смотрите РИС.4

·                переберите шесть парных комбинаций проводов, измерьте сопротивление для каждой пары;

·                определите, в каком случае получено наибольшее значение сопротивления – данная пара является линией питания;

·                отделите оставшиеся два провода, это линия сигнала;

·                 подайте напряжение на провода питания и определите полярность подключения, измеряя напряжение на кабелях сигнала.

Заземление, экранирование

Слаботочные тензодатчики нуждаются в заземлении и экранировании. Данные меры позволяют защитить оборудование от электростатических и других помех, создать условия для точной бесперебойной работы.

Кабели тензодатчиков должны иметь экранирующую оплетку. Экран кабеля нужно подключать к заземляющему контуру с одной стороны, избегая так называемых земляных петель. В ряде случаев корпус датчика соединяют с экраном и заземляют. Если реализовать такую схему подключения тензодатчика для весов по каким-то причинам не удается, экран соединяют с заземляющим желто-зеленым кабелем в электрощите. Использовать «нейтраль» в качестве заземляющей лини не следует.

Экранные оплетки 4 тензодатчиков, подключенных параллельно, соединяют друг с другом через соответствующие клеммы соединительной коробки. Их заземляют с корпусом коробки со стороны приемника, не допускают образования земляной петли.

Весоизмерительное оборудование на базе тензодатчиков часто работает в сложных электротехнических условиях. Его нужно защищать от помех, которые могут распространяться по линии заземления. Для блокирования таких сигналов в систему устанавливают ферритовые фильтры. Их можно защелкнуть поверх изоляции на кабель датчика на расстоянии нескольких сантиметров от клеммы. Индуктивность фильтра легко нарастить до нужного уровня, закрепив несколько ферритовых элементов друг за другом.

Подключение нескольких весовых тензодатчиков через балансировочную коробку

К большинству весоизмерительных приборов подключают три, четыре и более тензодатчиков. Для их подключения требуется балансировочная коробка. Это устройство выравнивает чувствительность датчиков, расположенных по периферии весового оборудования, перед передачей контроллеру.

Потребность в дополнительном элементе связана с несовершенством технологии производства тензодатчиков. Как показывает практика, двух одинаковых устройств не существует, точное соотношение сопротивления к приложенному усилию задается в момент калибровки. Если модули откалиброваны по-разному, при включении в единую систему они будут выдавать некорректный результат, зависящей от распределения веса между ними.

Данную проблему решает балансировочная коробка – пластиковый или металлический нержавеющий (реже алюминиевый) корпус, в котором размещена печатная плата с разъемами и подстроечными резисторами. К разъемам подключаются все задействованные тензодатчики. Сигнал от них выходит по одному проводу и передается на контроллер или терминал.

Балансировочная коробка необходима в следующих случаях:

·                нужно добиться высокой точности измерения, которая недостижима при соединении тензодатчиков звездой и непосредственном подключении к контрольному блоку;

·                нагрузка на весовую платформу передается неравномерно, груз укладывается не в одно место при каждом взвешивании, может перемещаться по платформе;

·                тензодатчики смонтированы на конвейере, нагрузка подается с одной стороны и передвигается к другой.

Существуют ситуации, когда необходимости в балансировочной коробке нет. Так, в бункерных весах нагрузка всегда распределяется равномерно, так как центр масс всегда находится в центре бункера конусообразной формы. Точность такой системы существенно не возрастет после подстройки резисторов.

Настройка простейшей балансировочной коробки выполняется вручную. Для этого потребуется эталонная гиря или другой предмет с точно известным весом. Его перемещают в зону каждого тензодатчика, а затем подкручивают подстроечные резисторы, пока контрольный блок не продемонстрирует верный результат с необходимой точностью при любом расположении гири.

После включения тензодатчиков через балансировочную коробку выполняют повторную калибровку системы. Это необходимо, чтобы точно определить точки нулевого и эталонного веса. Если отрегулировать подстроечные резисторы с первого раза не удалось, процедуру повторяют до достижения оптимальной точности в конкретных условиях.

Подключение тензодатчика веса в цифровой среде

Многие датчики на основе тензорезисторов задействуют в сложных автоматизированных системах контроля и учета веса, силы и других параметров. В таком случае они нуждаются не только в электрическом подключении, но и в программировании.

Тензометрический датчик соединяют с микросхемой по распиновке, а затем подключают к компьютеру через аппаратно-программный комплекс. Пример простой доступной системы для прототипирования и экспериментов в области робототехники, автоматики, электроники – интегрированная среда разработки Arduino. С ее помощью можно решить следующие задачи:

·                инициировать работу микросхемы;

·                проверить готовность АЦП к работе;

·                установить нужный коэффициент усиления;

·                запросить средние значения веса для системы из нескольких датчиков;

·                переводить вес в унции и другие единицы измерения;

·                запрашивать тарирование (сброс веса тары);

·                управлять калибровочными коэффициентами для тех или иных условий работы;

·                вычитать, суммировать вес в процессе нескольких измерений;

·                задавать вес тары вручную;

·                переводить модуль в спящий или активный режимы.

Программирование с помощью ИСР, включая Arduino, остается востребованным в среде любителей и профессионалов разного уровня. Система содержит открытую обширную библиотеку с примерами кода для реализации различных функций, примеры команд можно найти на открытых специализированных сайтах.

Многие программные функции реализует профессиональное вторичное учетное оборудование, в том числе специальные терминалы, контроллеры, блоки управления. Однако конкретная модель терминала совместима с определенным набором тензодатчиков, не является универсальной.

Для настройки также используют фирменные компьютерные программы, включая «Тензометр». Однако они тоже имеют ограниченное применение, совместимы с определенными тензостанциями или датчиками.

Правила обслуживания и эксплуатации

Тензодатчики не требуют специфического обслуживания после включения и настройки. Однако для их корректной работы необходимы следующие условия:

·                отсутствие сильных вибраций, которые могут повлиять на точность и ресурс оборудования;

·                защита датчика от воды и пыли в соответствии со стандартом IP (устройства класса IP 24 должны работать в чистой сухой среде);

·                отсутствие разрушающего механического воздействия – ударов, трения и т.д.;

·                защита от химически агрессивных веществ, которые могут вызвать коррозию металлических элементов, разрушение оплетки и изоляции;

·                соблюдение рабочего и компенсируемого температурного диапазона.

Если датчик установлен вне герметичного корпуса, его регулярно очищают от пыли струей воздуха со слабым напором. Для удаления других загрязнений не используют агрессивные чистящие средства, которые могут повредить силиконовое покрытие или другие элементы модуля.

В процессе эксплуатации важно не допускать перегрузки весового оборудования. Превышение допустимой массы может вызвать необратимую деформацию измерительного тела. Такой дефект не подлежит исправлению, влечет за собой полную замену тензодатчика.

Проверка работоспособности тензодатчика

При подозрении на неисправность тензодатчика проводят контрольные измерения с помощью милливольтметра, мегаомметра или чувствительного мультиметра:

·                выявляют баланс нуля. Для этого измеряют напряжение питания на выходе тензодатчика, предварительно сняв нагрузку;

·                проверяют сопротивление изоляции. Замеры проводят между контурами электроцепей, корпусом, кабельным экраном. Перед началом исследования тензодатчик отключают от распределительной коробки;

·                определяют целостность моста. Для этого измеряют входное и выходное сопротивление каждой пары проводов;

·                тестируют сопротивление удару. Выходные кабели активного датчика подключают к вольтметру, слегка ударяют по механизму резиновым молотком. Во время воздействия следят за показаниями измерительного прибора.