Strain Gauge Tabanlı Tork Sensörleri Nasıl Çalışır?
Neredeyse 80 yıllık hizmet süresi boyunca gerinim ölçerlerin son derece hassas ve güvenilir mekanik yük sensörleri olduğu kanıtlanmıştır. Artık statik, dinamik ve hassas satış uygulamaları da dahil olmak üzere tartım işlemlerine hakimdirler. Ayrıca hassas tork sensörlerinin büyük çoğunluğunda da kullanılırlar. Tüm Himmelstein tork sensörleri gerinim ölçer tabanlıdır. En basit tork sensörü aşağıdaki şekil 1’de gösterilmektedir. Torklandığında, eleman, mil eksenine dik olarak, mil boyunca uzanan bir düzlemde kesme kuvvetinde gerilir. Kesme gerilimi, mil eksenine 45 derecede eşit büyüklükte çekme ve sıkıştırma gerilimleri oluşturur.
Gerinim ölçerler mil eksenine 45 derece açıyla monte edilir ve bu çekme ve basma gerilmelerini algılar.
Mil torku (T), mil gerilimi, mil boyutları ve mil malzemesini ilişkilendiren denklemler şunlardır:
Yuvarlak bir mil için: Stress=16T/(πd^3 ) (1)
Köşeli bir mil için: Stress=T/0,208a^3 (2)
Tork lbf-in birimleri cinsinden, boyutlar inç cinsinden olduğunda, gerilim libre/inçkare (psi) olur. G malzeme kesme modülü olduğunda, sensörün radyan cinsinden açısal sapması:
Yuvarlak bir mil için: θ=32TL/(πGd^4 ) (3)
Köşeli bir mil için: θ=TL/0,1405Ga^4 (4)
Kare bir mil, düz bir yüzey üzerinde ölçme avantajına sahiptir ve bağlantı tellerinin ve lehim bağlantılarının düşük gerilimli alanlara, yani köşelere veya köşelere yakın noktalara yerleştirilmesine izin verir. Yuvarlak ve kare burulma elemanları düşük tork seviyelerinde kullanılmaz çünkü ölçüm alanı pratik olmayacak şekilde küçülür ve denklem 3 ve 4 ile belirlendiği gibi eleman sapması kabul edilemeyecek kadar büyük olur, yani eleman sertliği çok düşüktür. Bu sorunların üstesinden gelmek için şekil 2’de gösterilen burulma elemanı kullanılır. Kiriş gerilimi denklem 5 tarafından yönetilir.
Stress=(3T(0,5L-a))/(bc^2 τ_avg ) (5)
Bu tasarımların birçok çeşidi vardır. Örneğin, içi boş yuvarlak miller ve radyal parmaklıklar sıklıkla kullanılır. Ancak, hepsi yukarıda açıklanan ilkelere göre çalışır. Ayrıca, reaksiyon (dönmeyen veya statik) ve dönen (veya dinamik) sensörler için aynı elemanlar kullanılır. Her durumda, şekil 3’te gösterildiği gibi bir köprüye en az dört gerinim ölçer bağlanır. Uygulanan tork sıfır olduğunda, dört gerinim ölçerin tümü aynı dirence sahiptir, köprü dengelenir ve çıkışı sıfırdır. İleri seviye sensörler, harici yüklerin, sıcaklık gradyanlarının vb. etkilerini iptal etmek için birden çok köprü kullanır. Himmelstein, bir dizi zarif, standart tasarımda 32 adete kadar ölçer kullanır.
Şekil 2 öğesinin radyan cinsinden sapması, elastisite modülünün ε olduğu aşağıdaki denklem [6] ile ifade edilir.
θ=TL^2/(4r_avg εbc^3 ) (6)
Düzgün bir şekilde monte edilen gerinim ölçerler, bağlandıkları yapı ile aynı gerinime maruz kalır. Bu nedenle, stres τ, esneklik modülü ε, Poisson Oranı v ise, gage’in gördüğü gerinim şu şekildedir:
Strain=τ(1+v)/ε=μ (7) Kesme gerinim puluna sahip köşeli ve yuvarlak elemanlar
Strain=τ/ε=μ (7a) Şekil-2’deki gibi lineer gerinim puluna sahip elemanlar
Tork uygulandığında, gösterge direncindeki değişimin sıfır tork gösterge direncine bölünmesiyle elde edilir:
dr/r=(Gage Factor) μ (7)
4 aktif kollu köprünün çıktısı, volt başına mV cinsinden (mV/V) şu şekildedir:
1000 μ (Gage Factor) (8)
Köprü uyarılmalı ve minimum 4 bağlantı gerektiren bir okuma yapılmalıdır – dönmeyen bir sensörle kolayca gerçekleştirilebilir. Dönen bir sensör için en basit “çözüm” bir kayar halka düzeneği kullanmaktır. Kayma halkası/fırça düzenekleri aşınır ve bakım gerektirir; aşınma ürünleri strain gaugeleri şöntler ve sıfır sapma, açıklık hataları ve şönt kalibrasyon hataları üretir. Kayma halkaları, yüksek hızlı çalışmayı sınırlar ve tüm hızlarda fırça sıçramasından kaynaklanan gürültü üretir. Bu nedenlerden dolayı Himmelstein bir kayma halkası tork sensörü yapmaz ve asla da yapmayacaktır.
Himmelsteins’ın ilk dönen tork sensörleri, dönen köprüyü fiziksel temas olmadan durağan dünyaya bağlamak için döner transformatörler kullandı – şekil 4’deki gibi. Bu cihazlar, köprüyü döner transformatör yoluyla uyarmak ve okumak için sabit taşıyıcı amplifikatörler kullandılar. Taşıyıcı amplifikatörler sürüklenmez ve dc amplifikatörlere göre gürültüye karşı daha fazla bağışıklığa sahiptir; sadece faz içi taşıyıcı frekans sinyallerine yanıt verirler. Düşük frekanslı sinyallere (termokupl voltajları, güç hattı frekansları, homopolar voltajlar, vb.) ve çoğu yüksek frekanslı sinyale karşı bağışıklıdırlar. Sonuç, aşınmayan, bakım gerektirmeyen ve uzun süreler boyunca çok yüksek doğruluk sağlayan üstün bir cihazdır.
Ancak, bağlantı kablosunun uzunluğu veya tipi bir şekilde değiştirilirse, başlangıçtaki doğruluğunu korumak için sistemin yeniden kalibre edilmesi gerekir. Himmelstein bu kablo bağımlılığını ortadan kaldırmak için, yerleşik taşıyıcı amplifikatör sinyal koşullandırmalı döner trafo bağlantılı Tork Ölçerleri piyasaya sürdü. Tüm MCRT® serisi 48000V, 49000V, 59000V ve 79000V tork sensörleri bu özelliğe sahiptir ve bunların doğruluğu ara bağlantı kablosu uzunluğundan ve yapısından bağımsızdır.
Modern Himmelstein Döner Trafo bağlantılı Tork Ölçerler, düşük faz kaymasına, dış gürültüye ve girdap akımı frenlerinden ve büyük elektrikli makinelerden kaynaklanan manyetik alanlara karşı yüksek bağışıklığa sahiptir. Yüksek performansları kısmen ferrit yerine alaşımlı çelik rotor ve stator manyetik yapılarının kullanılmasından kaynaklanmaktadır.
Rakip ürünler, Himmelsteins’ın alaşım yapılarının alan kuvvetinin dörtte birinde doygunluğa ulaşan ferrit manyetik yapıları kullanır. Bu, onları endüstriyel ortamlarda daha az hassas hale getirir. Ferritler, yüksek mukavemetli alaşımların yüzde 10’undan daha az, çok düşük gerilme mukavemetine sahiptir. Sonuç olarak, merkezkaç gerilimleri veya darbe şoku nedeniyle kolayca hasar görürler. Bir dizi rakip ürün, şok ve yüksek santrifüj gerilimlerini daha iyi tolere etmek için rotor manyetik yapılarını içermez. Bu, transformatörün gürültü bağışıklığından, bant genişliğinden ve sinyal işleme özelliklerinden ödün verir.
En yeni, en doğru Himmelstein Tork Ölçerler dijital tabanlıdır; -hem dönen hem de dönmeyen reaksiyon tipleri . Döner tiplerde hem güç hem de sinyal bağlantıları entegre döner trafolar üzerinden temassız yapılır. Tork sinyali rotor üzerinde sayısallaştırılır ve dijital veri olarak analog ve frekans (modele bağlı) sinyallerin oluşturulduğu ve dijital verilerle birlikte çıktığı statora iletilir. Gerçek çift yönlü rotor şönt kalibrasyonu kullanırlar. Birçoğu, düşük gürültülü tork sinyali işleme için dönen taşıyıcı yükselticiler kullanır. Bazı çıktı koşullu mil hızı ve mil gücü sinyalleri ve çoğu güçlü sinyal işleme işlevleri içerir. Tüm sinyal işleme, mikroişlemci tabanlıdır; çoğu cihaz beş mikroişlemciye sahiptir.
%0,01’e kadar düşük Kombine Hatalı Dönen Tork Sensörleri standarttır. Hem rulman destekli hem de Rulmansız tipler, tek kademeli ve çift kademeli modellerde mevcuttur. Standart modeller, nominal torkun %200, %400 ve %1000’i Aşırı Yük kapasitelerine sahiptir. Hepsinde en az %150 Aralık aşımı vardır; Aralık Üstü bölgesindeki tipik Bileşik Hata, tam ölçeğin %0,04’üdür; garantili maksimum %0,1’dir. Şaft torku sensör tam ölçeğine yakın olduğunda kırpılmış piklerden kaynaklanan hatalardan kaçınmak için aralık aşımı kritik derecede önemlidir.
Birçok kullanışlı mekanik konfigürasyonda 10 ozf-in (0,07 Nm) ila 4.000.000 lbf-in (452 kNm) tork aralığında standart ürünler mevcuttur. Tüm ürünler, ISO/IEC 17025.2005 akredite laboratuvarımızda tam kapasitelerine çift yönlü olarak kalibre edilmektedir. Bu cihazlardan ikisi aşağıda açıklanmıştır. Listelenen Bülten, tüm özellikleri ve daha kapsamlı bilgileri içerir.
