Обзор различных типов тензодатчиков и их конструкционных особенностей

Тензодатчики давления и веса – это те устройства из сферы весоизмерительной техники, которые способны преобразовывать механическое деформирование предметов и тел в обычный электрический сигнал, который впоследствии позволяет определить уровень сжатия/растяжения определенного тела. Сам по себе такой датчик является резистивным преобразователем и позиционируется как один из основных составляющих высокоточного оборудования для взвешивания.  Применяются эти устройства в любых весах электронного типа: от бытовых напольных до сверхточных лабораторных.

Принцип работы тензодатчика заключается в следующем: при постановке на чашу весов предмета, под его воздействием (весом) изменяется (деформируется) резистор, на котором установлен тензодатчик. В свою очередь, датчик измеряет силу и величину деформации резистора и передает данные об этом на контрольную плату. Таким образом, вычисляется вес предмета на грузовой платформе. В оборудовании для взвешивания может быть использовано от одного и более датчиков.

Правильно такие датчики в инженерной среде называются весовыми измерителями для весов, а в простонародье именуются «балками».

Содержание

• 1 Главные хаpaктеристики
• 2 Подробнее о существующих конструкциях
• 3 Главное отличие 4-жильного датчика от 6-жильного
• 4 Отверстия в тензодатчике и их функциональное назначение
• 5 Подключение тензоустройства: вопросы экранирования и заземления
• 6 Грамотный подход к выбору тензодатчиков
• 7 Рейтинг лучших тензометрических датчиков на 2023 год
  • 7.1 Бюджетные варианты
    • 7.1.1 3-е место: «CAS BSA-1»
    • 7.1.2 2-ое место: «100kg-3T»
    • 7.1.3 1-ое место: «Sierra SL6D-C3-10kg»
  • 7.2 Модели среднего уровня
    • 7.2.1 3-е место: «МETTLER TOLEDO CZL312»
    • 7.2.2 2-ое место: «Т-100А»
    • 7.2.3 1-ое место: «CAS WBK-20TС»
  • 7.3 Премиум-класс
    • 7.3.1 3-ье место: «Т- 50 (1-я модификация)»
    • 7.3.2 2-ое место: «CAS WBK-30-D»
    • 7.3.3 1-ое место: «LSU-100»
• 8 Заключение

Главные хаpaктеристики

Любой тензодатчик обладает определенным набором хаpaктеристик, которые влияют на область и пределы его применения. К таковым относятся:

• «НПИ» или наибольший предел измерения – это то усилие, максимум которого может зафиксировать  устройство. По факту, сам датчик, конечно, имеет расширенный запас прочности, но для получения точных данных не рекомендуется превышать показатель НПИ, установленный изготовителем. В случае, если требуется получение сверхвысокоточных результатов, то необходимо использовать прибор с дополнительным НПИ.
• По своей конструкции данные приборы могут подразделяться на несколько видов – мостовой и одноточечный, балочный и сильфонный, колонный и S–образный, а также шайбовый. Применение конкретного вида конструкции будет зависеть от назначения весовой системы, в которой предполагается использование устройства, а также необходимо учитывать особенности будущего места его расположения.
• По схеме подключения тензодатчики могут подразделяться на «четырехжильные» и «шестижильные». Первая схема используется в стандартных случаях и при обычных условиях, а вторая применяется, когда возникает существенная разница в сопротивлении кабелей смежных датчиков, ибо она позволяет компенсировать их электросопротивление.
• Класс точности – у описываемых приборов он достаточно широк и согласно OIML R 60-2000 (Госсистема обеспечения единства измерений в РФ) он варьируется обычно от Д1 до С6. Самой большой популярностью по широте применения пользуется класс С3, что примерно равняется статистической погрешности в 0,02%. Использование приборов с меньшей погрешностью требует конкретного обоснования. Помимо прочего, на точность измерения может влиять и сам весовой терминал.
• Материал изготовления устройства – стандартно для этого применяются алюминий, легированная сталь или обычная «нержавейка». Говоря о разных конструкциях, можно отметить, что одноточечные, как правило, выполняются на алюминиевой основе, а вот остальные модели предпочитают легированную сталь. «Нержавейка» считается более дорогим материалом и ее применяют для приборов, которые используются на особо важных производствах, например, в пищевой промышленности.

При подборе датчика для использования в конкретных целях требуется также обратить внимание и на дополнительные хаpaктеристики, к коим можно отнести:

• Класс электрозащиты;
• Рабочий диапазон температур;
• Коэффициент рабочей передачи (сокращенно «КРП») ;
• Максимально возможное напряжение питания;
• Сопротивления для входа/выхода;
• Диаметр сечения и длину электрокабеля.

Подробнее о существующих конструкциях

В целом, описываемое устройство представляет собой единую упругую систему, состоящую из резистора и электросхемы, которая связана с весовым дозатором. При изменении сопротивления резистора устанавливается уровень деформации, после чего полученные данные трaнcформируются в нужные математические и физические величины и выводятся на дисплей весов. Именно таким образом достигается функционирование всего электронного оборудования для взвешивания. Его достаточная точность будет сохраняться и в том случае, когда один из датчиков выйдет из строя, ибо используемые на сегодняшний день схемы предполагают дублирование измерений.

В зависимости от типа весовой чаши (а правильнее сказать — грузоприемной платформы) существуют следующие типы тензоустройств:

• Консольный тип – в качестве измерительных элементов используется система с измерительным пределом до 7 тонн;
• Одноточечные приборы (single point), т. е. работающие на одном датчике – их применяют для проведения дозирующих, фасовочных и иных операций, где не требуется большая нагрузка;
• S-образные устройства —  они предназначаются для оборудования бункерного типа и пропорционально преобразуют механическую силу растяжений/сжатий в электросигнал;
• Приборы цилиндрические – применяются в контрольно-измерительных многотонных системах;
• Высокотемпературные устройства – используются при производстве приборов измерения, которые функционируют в условиях экстремальной температуры окружающей среды, к примеру, в плавильной или металлургической промышленности.

Основными требованиями, предъявляемыми к тензоустройствам, являются влагоустойчивость, слабая восприимчивость к агрессивным средам, расчет на длительный эксплуатационный срок. Кроме всего, датчики должны быть чувствительны к любой повышенной механической нагрузке.

Главное отличие 4-жильного датчика от 6-жильного

В случае, если габариты самого оборудования для взвешивания через чур велики, то может случиться так, что соединение между датчиком и аналогово-цифровым преобразователем оборудования будут выполнены с помощью проводов увеличенной длины. Поэтому, на показания начнет влиять электросопротивление самих проводов.

Данную проблему возможно разрешить двумя способами:

1. Использовать внутри конструкции провода одной и той же длины, тогда погрешность, возникающая из-за сопротивления и непреднамеренно вносимая в измерительную цепь, будет заведомо известна и ее можно скомпенсировать на входе сигнала в аналогово-цифровой преобразователь;

ВАЖНО: На весовом устройстве «МАССА-К» серии «ВТ» было применено «ноу-хау», и преобразователь был установлен непосредственно на датчике, что позволило обойтись без проводов и решить вопрос сопротивления. Однако, на инженерном уровне был допущен просчет, а именно: тумблер калибровки остался не вынесенным за границы тензодатчика, что привело к усложнению проверочных процедур.

1. Необходимо дополнить измерительную цепь для проверки сопротивления провода на предмет падения напряжения и на динамическом уровне скорректировать погрешность от сопротивления, которая вносится в измерительную цепь.

Отверстия в тензодатчике и их функциональное назначение

Если бы не было этих отверстий, то общая нагрузка бы распределялась по всей поверхности в равнозначной степени, и, соответственно, установить деформацию было бы сложнее. В связи с тем, что резисторы размещают в местах сосредоточения наибольшего напряжения, то место интеграции последних специально делают тонким, чтобы нагрузка, приложенная на край балки, была бы по максимуму выражена в данных местах. Таким образом, ориентация резисторов выполняется относительно самого тонкого места.

Подключение тензоустройства: вопросы экранирования и заземления

Важным вопросом при создании успешной и точной весовой системы с применением тензодатчиков является организация экранирования и заземления. Грамотное решение подобной задачи – залог правильного функционирования тензометрического устройства в области генерации слаботочных сигналов. При этом, кабели устройств обязаны иметь оплетку для экранирования, которая бы защищала их от электростатики и иных помех, при условии ее правильного монтажа.

Главным и нерушимым правилом в этом случае должен стать принцип избегания «земляных» петель, что означает необходимость заземления устройства в ОДНОЙ и ОБЩЕЙ точке. Если же подключать кабельный экран с обоих концов, то возникновение петли неминуемо. Таким образом, если тело датчика надежно соединено и правильно закреплено с экраном – то этого будет достаточно, в ином случае – возможно присоединить экран к заземлению только с ОДНОГО любого окончания, к примеру, в электрощите. Стоит помнить, что использовать в качестве «заземлителя» «нейтраль» крайне не рекомендуется.

В случае, ежели датчики соединены параллельно, то нужно не забыть и присоединить друг к дружке экранные кабельные оплетки, посредством сопутствующего клеммного контакта в соединительной коробке.  После соединения немедленно «заземлить» их одновременно с корпусом самой коробки.

Также, с ОДНОЙ стороны необходимо присоединять к заземлению общий кабель, проходящий от прибора к соединительной коробке, при этом нельзя допускать образования «земляной» петли. Эту схему предпочтительнее реализовать со стороны приемника, т. е. около входа в измерительный прибор.

Прямо сверху изоляции кабеля датчика (примерно на расстоянии в 4-5 см от клеммы оборудования), необходимо защелкнуть фильтр ферритовый, в целях блокирования различных помех на «земле». Указанные фильтры выпускаются под кабели различных размеров и диаметров. Их также можно установить и на других удлиненных линиях, к примеру RS-485, как на передающем, так и на приемном устройствах. Иногда может случиться так, что индуктивности одного-единственного фильтра может не хватать. Тогда нужно будет дополнительно и последовательно позащелкивать фильтры на некотором расстоянии друг от дружки. Это повысит индуктивность до нужного уровня и надежно уменьшит уровень помех.

Грамотный подход к выбору тензодатчиков

В связи с тем, что тензометрические устройства не являются особо сложными по своей конструкции, то при покупке лучше ориентироваться именно на цену, а не на производителя. Таким образом, сегодняшний рынок хоть и полон различными ценовыми и брендовыми предложениями, но большой разницы между эконом-классом и премиум не наблюдается. Дорогие датчики следует приобретать только в том случае, когда они действительно нужны для высокоточных измерений, к примеру, в пищевой промышленности или для производства лабораторных экспериментов. В остальном же, данная покупка не будет требовать больших затрат и вполне обойдется в стандартную цену относительно стандартных показателей погрешности в измерениях.

Касательно азиатского производителя рассматриваемой продукции. Как показывает анализ, точность измерения датчиков из Тайваня, Китая, Кореи ничуть не уступает самым популярным фирмам. Однако, материал их изготовления зачастую не долговечен и бывает так, что деформацию балки на китайских устройствах видно невооруженным взглядом сразу после проведения пары-тройки нескольких измерительных процедур.

Рейтинг лучших тензометрических датчиков на 2023 год

Бюджетные варианты

3-е место: «CAS BSA-1»

Модель предназначена для использования в электронных весах на предприятиях общественного питания и в продуктовых магазинах. Имеет улучшенную конструкцию, доступ к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП) осуществляется через единственный провод, что не вызывает разницы сопротивлений. Скорее рассматривается как запасная часть.

CAS BSA-1 Преимущества:

• Малые габариты;
• Повышенная точность;
• Соединение с АЦП одним кабелем.

Недостатки:

• Узкая направленность применения.

2-ое место: «100kg-3T»

Многофункциональный образец S-образной конструкции. Может применяться в различных типах весов, рассчитанных на средние нагрузки. Прост в установке, может работать в паре с другими датчиками. С помощью многожильного провода обеспечивается устойчивая связь с АЦП.

100kg-3T Преимущества:

• Многофункциональность;
• Приемлемая цена;
• Применение в расчете на средние нагрузки (от 1 до 3 тонн).

Недостатки:

• Вероятна недолговечность резистора.

1-ое место: «Sierra SL6D-C3-10kg»

Этот датчик предназначен для взвешивания фасовочных и иных сыпучих продуктов, не рассчитан на большую нагрузку. Крайне прост в установке и выполнен из надежной легированной стали, что означает увеличенный срок эксплуатации. Дополнительно имеет класс защиты от пыли и влаги (как отдельный элемент оборудования для взвешивания).

Sierra SL6D-C3-10kg Преимущества:

• Оптимальная комплектация;
• Расширенные функции безопасности;
• Увеличенная гарантия (1 год вместо 0,5).

Недостатки:

• Ограниченный температурный режим работы – до +35 градусов по Цельсию.

Модели среднего уровня

3-е место: «МETTLER TOLEDO CZL312»

Легированный стальной датчик с никелированной поверхностью. Имеет преимущественно промышленное назначение и используется для средних и высоких нагрузок (взвешивание бетонной массы на стройке, взвешивание горячего асфальта при кладке дорожного полотна и т.п.). Может работать как на растяжение, так и на сжатие.

тензодатчик МETTLER TOLEDO CZL312 Преимущества:

• Отличное соотношение цена/качество;
• Универсальность;
• Повышенная грузоподъемность (до 10 тонн).

Недостатки:

• Малое безопасное превышение допустимой нормы НПИ (не более 30%).

2-ое место: «Т-100А»

Данное устройство предназначено для использования на сравнительно больших грузовых платформах – от 80х80 см, а также может применяться в весах бункерного и фасовочного типа. Является образцом одноточечной конструкции, поэтому может применяться только в единичном варианте.

тензодатчик Т-100А Преимущества:

• Повышенная точность;
• Отлично работает на больших платформах;
• Корпус из алюминиевого сплава.

Недостатки:

• Небольшой гарантийный срок (до полугода).

1-ое место: «CAS WBK-20TС»

Профессиональное измерительное устройство, предназначенное для проверки веса автомобилей и различной спецтехники. Может применяться на стационарных постах дорожной полиции с целью определения допустимого веса автотрaнcпорта для проезда, а также на таможенных постах.

CAS WBK-20TС Преимущества:

• Материал изготовления – нержавеющая сталь;
• Высокая грузоподъемность (20 тонн) ;
• Имеется собственная влагозащита.

Недостатки:

• Узкая специализация.

Премиум-класс

3-ье место: «Т- 50 (1-я модификация)»

Конструкция упругого элемента этого датчика позволяет передавать точные показания, даже если груз размещен на краю платформы. Герметичность корпуса обеспечивается установкой специальных гелиевых прокладок. В комплекте идут защитные втулка, крышка и колпачки. Устройство рассчитано на точную работу с пpaктически любым весом – от малых значений до сверх больших.

Т- 50 (1-я модификация) Преимущества:

• Универсальность;
• Хорошая укомплектованность;
• Диапазон рабочих температур от -40 до +50 градусов по Цельсию.

Недостатки:

• Не обнаружено (для своего сегмента).

2-ое место: «CAS WBK-30-D»

Модель предназначается для использования в промышленных целях, например, для взвешивания сыпучих и жидких материалов большого объема на увеличенных платформах (определение веса приготовленного бетона на бетонном заводе). Прост в калибровке, корпус изготовлен из нержавеющей стали.

CAS WBK-30-D Преимущества:

• Прочный корпус;
• Увеличенная грузоподъемность (до 30 тонн) ;
• Собственная влаго- и пылезащита.

Недостатки:

• Высокая цена.

1-ое место: «LSU-100»

Низкопрофильный круглый датчик способен работать со сверхбольшими нагрузками до 100 тонн. При этом, модель имеет запас дополнительного НПИ около 150%. Функционировать может как на сжатие, так и на растяжение. В конструкции применен 4-жильный кабель с полиуретановой защитной оплеткой, которая гарантирует высокую линейность и точность передаваемых на АЦП данных. В системе присутствует собственная влаго- пылезащита, смонтированная по евростандарту.

LSU-100 Преимущества:

• Повышенная устойчивость к износу;
• Способность оперировать с большими нагрузками;
• Актуальная цена.

Недостатки:

• Ограниченность температурного рабочего режима по нижнему пределу (до -10 градусов по Цельсию)

Заключение

В целях экономии заказать и приобрести тензометрию можно и через интернет-площадки. Популярность данного способа обусловлена еще и тем, что на сайтах продавцов и производителей очень удобно осуществлять поиск нужной модели по заданным параметрам. Отдельно стоит отметить, что в отличие от розницы, цены в интернете будут гораздо ниже. Тем более, в случае, если требуется оптовая поставка большого количества товара (например, для обеспечения промышленного объекта), то брендовый специализированный магазин вполне может предоставить и скидку. К тому же, датчики – это тот товар, который вряд ли возможно испортить даже в условиях чрезвычайно небрежной пересылки, поэтому опасаться по большому счету нечего.

х