Ogniwo obciążnikowe przekształca siłę mechaniczną – ciężar – w sygnał elektryczny. Wewnątrz każdego czujnika wagowego znajduje się metalowy element, który pod obciążeniem nieznacznie odkształca się. Do tego elementu przymocowane są tensometry: cienkie folie rezystancyjne, których oporność elektryczna zmienia się w miarę rozciągania lub ściskania. Ta zmiana rezystancji wytwarza mierzalne napięcie wyjściowe proporcjonalne do przyłożonej siły. w waga pomostowa , pod pokładem umieszcza się wiele czujników wagowych, a ich połączone sygnały elektryczne są przetwarzane przez wskaźnik lub skrzynkę przyłączeniową w celu wyświetlenia odczytu masy.
To jest główny mechanizm. Wszystko inne – hermetyczne uszczelnienie, kompensacja temperatury, zabezpieczenie przed przeciążeniem, wyjście cyfrowe – to inżynieria zbudowana wokół tej podstawowej zasady. Zrozumienie szczegółów ma znaczenie, ponieważ wybór, instalacja i konserwacja czujników wagowych bezpośrednio decydują o tym, jak dokładnie i niezawodnie będzie działać waga pomostowa przez lata eksploatacji.
Tensometr to element czujnikowy, który umożliwia zastosowanie technologii ogniw obciążnikowych. Składa się z drobnego wzoru folii metalicznej – zwykle stopu niklowo-chromowego – połączonego za pomocą kleju z powierzchnią elastycznego metalowego korpusu, zwykle wysokiej jakości stali stopowej lub stali nierdzewnej. Kiedy metalowy korpus odkształca się pod ciężarem, folia odkształca się wraz z nim. Zmienia to opór elektryczny folii zgodnie z zależnością opisaną przez współczynnik grubości (GF).
Współczynnik grubości dla większości metalowych tensometrów wynosi w przybliżeniu 2.0 , co oznacza, że odkształcenie o 0,1% powoduje zmianę oporności o 0,2%. W przypadku standardowego tensometru o rezystancji 350 omów oznacza to zmianę rezystancji o około 0,7 oma — to niewielka wartość, która wymaga starannego zaprojektowania obwodu w celu dokładnego pomiaru.
Ogniwa obciążnikowe wykorzystują cztery tensometry ułożone w konfiguracji mostka Wheatstone'a. Dwa sprawdziany poddawane są rozciąganiu (wydłużają się pod obciążeniem), a dwa ściskaniu (skracają się pod obciążeniem). Takie rozwiązanie zapewnia kilka kluczowych korzyści:
Standardowe napięcie wzbudzenia 5 do 15 V prądu stałego jest nakładany na most. Przy wydajności znamionowej mostek wytwarza zazwyczaj sygnał wyjściowy o wartości miliwoltów 2 mV/V , co oznacza, że wzbudzenie 10 V wytwarza 20 mV przy pełnym obciążeniu. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i przetwarzany.
Nie wszystkie ogniwa obciążnikowe mają tę samą geometrię. Wewnętrzny kształt elementu elastycznego determinuje sposób jego odkształcenia, co wpływa na dokładność, zakres udźwigu i przydatność do różnych konfiguracji pomostu wagowego.
Są to najczęściej spotykane typy wag pomostowych montowanych w zagłębieniu i na powierzchni. Są zaprojektowane tak, aby przenosić obciążenie w jednej osi – prosto w dół – i zazwyczaj mają kształt cylindryczny lub naleśnikowy. Ogniwa kompresyjne stosowane w wagach samochodowych obsługują pojemności od 50 ton do ponad 150 ton na ogniwo , z sześcioma do dwunastoma komorami zwykle obsługującymi pełny pokład wagi pomostowej. Są wytrzymałe, łatwe w montażu i dość dobrze wytrzymują obciążenia boczne, jeśli są wyposażone w odpowiedni sprzęt montażowy.
Komory belek zginanych działają na zasadzie belki wspornikowej lub belki dwustronnej. Obciążenie przykładane jest w jednym lub dwóch punktach wzdłuż belki zamocowanej na drugim końcu, powodując jej wygięcie. Tensometry umieszczone w miejscu maksymalnego momentu zginającego wychwytują to odkształcenie. Ogniwa te są popularne w niskoprofilowych wagach platformowych i niektórych konstrukcjach przenośnych wag pomostowych, ponieważ można je instalować w bardzo płytkim profilu pokładu. Są one zwykle używane w przypadku wydajności poniżej 20 ton na ogniwo .
Komórki belki ścinającej mierzą naprężenie ścinające, a nie zginanie lub bezpośrednie ściskanie. Tensometry są zorientowane pod kątem 45 stopni do osi belki, aby uchwycić maksymalne odkształcenie ścinające. Konstrukcja ta jest wysoce niewrażliwa na punkt przyłożenia obciążenia, co jest znaczącą zaletą w zastosowaniach z wagami pomostowymi, gdzie nacisk na oś pojazdu może nie znajdować się w dokładnym położeniu. Belki ścinane zapewniają doskonałą dokładność, zwykle osiąganą Klasa OIML C3 lub lepsza i są szeroko stosowane zarówno w przenośnych wagach osi, jak i w stałych instalacjach wag pomostowych.
Ogniwa jednopunktowe zaprojektowano tak, aby zapewniały dokładne odczyty niezależnie od tego, gdzie ładunek jest umieszczony na platformie – w określonych granicach. Stosowane są głównie w mniejszych wagach platformowych i rzadko spotykane w pełnowymiarowych wagach samochodowych. Jednakże pojawiają się one w niektórych obciążnikach osi używanych do szybkich kontroli drogowych.
| Typ ogniwa obciążeniowego | Typowy zakres wydajności | Typowe użycie wagi pomostowej | Kluczowa zaleta |
|---|---|---|---|
| Kompresja | 50–150 t na ogniwo | Wagi samochodowe montowane w wykopie | Duża pojemność, solidność |
| Zginana belka | Do 20 t na ogniwo | Platformy niskoprofilowe | Kompaktowa instalacja |
| Belka ścinana | 5–50 t na ogniwo | Wagi przenośne i stacjonarne | Niewrażliwość na punkt obciążenia |
| Jednopunktowy | Do 5 t | Wagi podkładek osi | Jednolita reakcja na całej platformie |
Zrozumienie, jak ogniwo obciążnikowe działa w izolacji, to tylko część obrazu. W instalacji wagi pomostowej współpracuje ze sobą wiele czujników wagowych, a ich sygnały przechodzą kilka etapów przetwarzania, zanim na wyświetlaczu pojawi się wartość masy.
Każde ogniwo obciążnikowe znajdujące się pod platformą wagi wytwarza sygnał o natężeniu miliwoltów, proporcjonalny do przenoszonej przez nie siły. Ponieważ ładunek pojazdu nigdy nie jest idealnie wyśrodkowany, poszczególne komórki mają nierówny udział. 60-tonowa ciężarówka zaparkowana asymetrycznie może nałożyć 12 ton na jedną komórkę narożną i 8 ton na drugą.
Wszystkie kable poszczególnych ogniw prowadzą do skrzynki przyłączeniowej (zwanej także skrzynką sumującą). Wewnątrz sygnały są łączone — albo pasywnie poprzez rezystancyjne sieci sumujące, albo aktywnie poprzez wzmocnienie. Pasywne sumujące skrzynki przyłączeniowe wykorzystują rezystory dostrajające w celu dostosowania różnic w czułości ogniwa, zapewniając, że 1-tonowe obciążenie na każde pojedyncze ogniwo daje identyczny udział w zsumowanej mocy wyjściowej. Ten etap kalibracji jest krytyczny: bez niego położenie ładunku na pomoście wagi miałoby wpływ na ostateczny odczyt.
Sumaryczny sygnał miliwoltowy – wciąż bardzo mały – dociera do wskaźnika masy. Wewnątrz precyzyjny wzmacniacz pomiarowy wzmacnia sygnał, zwykle do zakresu 0–10 woltów. Następnie przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) próbkuje wzmocniony sygnał. Zastosowanie nowoczesnych wskaźników wagowych 24-bitowe przetworniki ADC , które zapewniają ponad 16 milionów dyskretnych kroków w całym zakresie pomiarowym. Rozdzielczość ta jest znacznie lepsza niż wymagana prawnie wartość przyrostu wyświetlania, co zapewnia stabilny i odporny na zakłócenia odczyt.
Surowe dane ADC są zaszumione. Obciążenie wiatrem, wibracje pojazdów i zakłócenia elektryczne powodują szybkie wahania. Mikroprocesor wskaźnika wykorzystuje cyfrowe algorytmy filtrowania – często konfigurowalne filtry uśredniające lub filtry oparte na częstotliwości – w celu uzyskania stabilnej wartości masy. Ostateczna wyświetlana wartość jest zaokrąglana do zatwierdzonego przedziału wagowego, który jest typowy dla wag pomostowych dopuszczonych do obrotu 20 kg dla wagi 60 ton.
Przy wyborze czujników wagowych do wagi pomostowej numery arkuszy danych bezpośrednio przewidują jakość pomiaru. Oto, co każda specyfikacja faktycznie oznacza w praktyce.
Maksymalne obciążenie, które cela ma dokładnie mierzyć. Ze względów bezpieczeństwa czujniki wagowe są również przystosowane do bezpiecznego przeciążenia – zazwyczaj 150% pojemności znamionowej — i zwykle ostateczne przeciążenie poprzedzające trwałe uszkodzenie 300% . Pomost wagowy obsługujący pojazdy o masie całkowitej 60 ton, obsługiwany przez sześć ogniw, wymaga ogniw o wytrzymałości co najmniej 15 ton każde, jeśli uwzględni się rozkład obciążenia, plus wystarczający margines przeciążenia dla obciążenia dynamicznego podczas wjazdu pojazdu.
OIML (Międzynarodowa Organizacja Metrologii Prawnej) klasyfikuje czujniki wagowe od klasy A (najwyższa dokładność) do klasy D (najniższa). Zazwyczaj są to ogniwa obciążnikowe wagi pomostowej Klasa C3 lub C4 , gdzie liczba oznacza maksymalną liczbę okresów weryfikacji – odpowiednio 3000 lub 4000. Czujnik tensometryczny C3 zastosowany w 60-tonowej wadze pomostowej może wytrzymać wyświetlaną masę o wartości 60 000 kg ÷ 3 000 = 20 kg, co jest zgodne ze standardowymi wymaganiami wagi pomostowej.
Specyfikacja ta łączy błędy nieliniowości i histerezy w jedną wartość, zwykle wyrażoną jako procent mocy znamionowej. W przypadku ogniwa obciążnikowego C3 łączny błąd wynosi zazwyczaj ±0,023% mocy znamionowej lub lepsza . W przypadku ogniwa o pojemności 20 ton wytwarzającego 2 mV/V przy pełnym obciążeniu odpowiada to błędowi mniejszemu niż 0,9 mikrowolta – niezwykle małej wartości, która wymaga starannego ekranowania i stosowania praktyk okablowania, aby zachować ją w torze sygnałowym.
Czujniki wagowe stosowane w instalacjach wag zewnętrznych narażone są na znaczne wahania temperatury. Znaczenie mają dwa współczynniki temperaturowe:
W wadze pomostowej działającej na zewnątrz w temperaturze od -10°C do 50°C – w zakresie 60 stopni – cela o rozpiętości TK wynoszącej 0,008%/10°C doświadczyłaby przesunięcia zakresu o 0,048% . W skali 60 ton oznacza to unoszenie się o 29 kg, które można przypisać samej temperaturze. Z tego powodu kalibrację wagi pomostowej przeprowadza się zawsze w temperaturze roboczej i dlatego prawnie wymagana jest okresowa ponowna weryfikacja.
Ogniwa obciążnikowe pomostów wagowych są instalowane na stałe na zewnątrz, często w zagłębieniach narażonych na powodzie, błoto i mycie ciśnieniowe. Minimalny akceptowalny stopień ochrony IP dla czujników wagowych pomostowych wynosi IP67 (pyłoszczelny i wytrzymuje chwilowe zanurzenie do 1 metra). Wiele instalacji określa IP68 lub IP69K , przy czym ta ostatnia wartość dopuszcza strumienie wody pod wysokim ciśnieniem i o wysokiej temperaturze – istotne w przypadku miejsc, które regularnie czyszczą platformę wagi.
Tradycyjne ogniwa obciążnikowe wysyłają analogowy sygnał miliwoltowy. W ciągu ostatnich dwudziestu lat cyfrowe czujniki wagowe — które integrują przetwornik ADC i mikroprocesor bezpośrednio w korpusie czujnika wagowego — stają się coraz bardziej powszechne w instalacjach wag pomostowych. Różnica jest znacząca z praktycznego punktu widzenia.
Ogniwa analogowe są prostsze, tańsze i kompatybilne z praktycznie każdym wskaźnikiem masy dostępnym na rynku. Ich sygnały miliwoltowe są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) w przypadku długich kabli, co stanowi poważny problem w dużych obiektach przemysłowych z ciężkimi maszynami. Maksymalny praktyczny przebieg kabla, zanim degradacja sygnału stanie się problematyczna, wynosi w przybliżeniu 100 do 150 metrów ze standardowym kablem ekranowanym.
Cyfrowe czujniki tensometryczne przekształcają sygnał tensometru na wartość cyfrową wewnątrz obudowy ogniwa i przesyłają dane za pośrednictwem magistrali szeregowej — zwykle RS-485 lub CAN. Kluczowe zalety to:
Kompromisem są koszty – cyfrowe czujniki wagowe są znacznie droższe – i uzależnienie od dostawców, ponieważ ogniwa różnych producentów często korzystają z niekompatybilnych protokołów komunikacyjnych.
Prawidłowy montaż jest równie ważny jak jakość ogniwa. Idealnie dobrane ogniwo obciążnikowe zainstalowane nieprawidłowo będzie dawać niedokładne i niestabilne odczyty. Systemy mocowania czujników wagowych pomostów wagowych muszą spełniać kilka zadań jednocześnie.
Czujniki tensometryczne przeznaczone są do pomiaru siły w jednej osi. Obciążenia boczne — spowodowane hamowaniem pojazdu, rozszerzalnością cieplną pokładu lub niewspółosiowością pokładu — powodują błędy i przyspieszają zmęczenie. Zespoły montażowe wykorzystują kołki wahadłowe, przyciski obciążenia lub samonastawne podstawy ogniw obciążnikowych, aby zapewnić mechaniczne odrzucenie sił pozaosiowych. Mocowanie z kołkiem wahadłowym umożliwia lekkie przechylenie ogniwa w dowolnym kierunku, przenosząc jedynie pionową składową dowolnej przyłożonej siły na element czujnikowy.
Stalowy pomost wagi o długości 18 metrów powiększy się o około 10 mm pomiędzy temperaturami zimowymi i letnimi w klimacie umiarkowanym (przy współczynniku rozszerzalności cieplnej około 11,7 × 10⁻⁶ /°C i zakresie temperatur 50°C). Elementy montażowe muszą umożliwiać ten ruch bez wiązania. Konfiguracje montażu ze stałym i wolnym końcem rozwiązują ten problem, mocując pomost na jednym końcu i umożliwiając ograniczony ruch ślizgowy na drugim, zapobiegając interpretowaniu rozszerzalności cieplnej jako zmiany obciążenia.
Niektóre konstrukcje mocowania ogniw obciążnikowych wykorzystują śruby mocujące lub zaciski mocujące, aby zapobiec podnoszeniu się pokładu z ogniw podczas ładowania niecentrycznego. Bez zabezpieczenia przed podnoszeniem mimośrodowy ładunek w pobliżu jednego końca wagi pomostowej może spowodować podniesienie drugiego końca, odciążając ogniwa i powodując znaczny błąd. Zestawy prętów kontrolnych, które ograniczają ruch platformy w górę do 2–3 mm, stanowią standardową część wysokiej jakości instalacji pomostów wagowych.
Ogniwa obciążnikowe są wytrzymałe, ale nie niezniszczalne. Znajomość przyczyn ich awarii pomaga zespołom konserwacyjnym identyfikować problemy, zanim spowodują one znaczące błędy ważenia lub całkowitą awarię systemu.
Nawet ogniwa o stopniu ochrony IP68 mogą zostać naruszone, jeśli punkty wejścia kabla zostaną uszkodzone, jeśli złącza kabla nie zostaną odpowiednio uszczelnione lub jeśli korpus ogniwa zostanie fizycznie pęknięty. Wilgoć docierająca do tensometrów powoduje korozję folii, zmiany właściwości adhezyjnych i ostatecznie upływ prądu pomiędzy ramionami mostu. Objawem jest zazwyczaj stopniowe dryfowanie odczytu zerowego i zwiększona niestabilność. Sprawdzenie rezystancji izolacji pomiędzy obwodami mostka a korpusem ogniwa (powinna przekraczać 5000 MΩ na zdrowej komórce) jest standardowym krokiem diagnostycznym.
Pojedyncze poważne przeciążenie – spowodowane uderzeniem pojazdu z dużą prędkością w pokład lub nieoczekiwanym lądowaniem dźwigu z dużym ładunkiem – może odkształcić plastycznie element elastyczny. Po odkształceniu punkt zerowy ogniwa przesuwa się trwale i nie można go ponownie skalibrować. Zmęczenie gromadzi się przez miliony cykli obciążenia; większość jakości ogniw wagowych jest oceniana 10 milionów lub więcej cykli przy wydajności znamionowej, ale obciążenia udarowe i przeciążenia radykalnie zmniejszają trwałość zmęczeniową.
Kable ogniw obciążnikowych biegną w odsłoniętych miejscach pod pokładami pomostu wagi. Uszkodzenia spowodowane przez gryzonie, powtarzające się zginanie spowodowane ruchem pokładu i fizyczne zmiażdżenie przez gruz to częste przyczyny awarii kabli. Uszkodzony ekran lub częściowe przerwanie przewodu sygnałowego powoduje powstawanie szumów, błędów offsetu lub całkowitej utraty sygnału. Ochrona tras kablowych i regularna kontrola wzrokowa to proste środki zapobiegawcze, które wydłużają żywotność systemu.
Korpusy ogniw obciążnikowych ze stali nierdzewnej są odporne na korozję, ale otaczający je osprzęt montażowy ze stali miękkiej — podstawy ogniw obciążnikowych, pręty kontrolne, śruby mocujące — nie. Skorodowany sprzęt może się zatrzeć, uniemożliwić niezbędne niewielkie ruchy podczas rozszerzalności cieplnej i wprowadzić siły boczne na czujnik tensometryczny. Coroczny harmonogram kontroli i smarowania osprzętu montażowego stanowi minimalne wymaganie konserwacyjne.
Wartość wyjściowa czujnika wagowego w miliwoltach nie ma znaczenia, dopóki nie zostanie skalibrowana względem znanych ciężarów referencyjnych. Kalibracja ustala matematyczną zależność między mocą elektryczną a wyświetlaną masą, a okresowa ponowna kalibracja potwierdza, że zależność nie uległa zmianie.
Złotym standardem kalibracji wagi pomostowej jest zwykle ładowanie platformy certyfikowanymi odważnikami testowymi o znanej masie Masy certyfikowane klasy M1 lub F2 identyfikowalne z normami krajowymi. Wskaźnik jest dostosowywany w taki sposób, aby wyświetlany odczyt odpowiadał przyłożonemu ciężarowi w wielu punktach w całym zakresie pomiarowym. W przypadku 60-tonowej wagi pomostowej kalibracja zazwyczaj obejmuje obciążenia testowe przy 0, 20%, 50% i 100% maksymalnego udźwigu.
Transport i obsługa odważników testowych wystarczających do kalibracji przy pełnej wydajności jest kosztowny i wymagający logistycznie. Zastępcze metody ważenia — wykorzystujące hydrauliczne urządzenie wzorcowe z ogniwami obciążnikowymi lub pojazd o zweryfikowanej masie — umożliwiają kontrolę kalibracji przy niższych kosztach. Metody te są akceptowane przez wiele krajowych organów ds. wag i miar do okresowej weryfikacji pomiędzy wzorcowaniami z pełnym ciężarem własnym, pod warunkiem, że kalibracja wstępna została przeprowadzona z użyciem ciężarków własnych.
Wagi pomostowe używane w handlu – wystawianie klientom rachunków według wagi, sprawdzanie zgodności pojazdów lub pomiary fiskalne – muszą być okresowo sprawdzane przez upoważnioną jednostkę kontrolującą. W Unii Europejskiej dyrektywa w sprawie wag nieautomatycznych (NAWI) określa maksymalne błędy dopuszczalne (MPE) dla wag handlowych: ±0,5 przedziałów skali przy wstępnej weryfikacji i ±1 przedział skali w służbie. Częstotliwość weryfikacji różni się w zależności od jurysdykcji, ale jest powszechna 1 do 2 lat .
Czujniki wagowe w dobrze utrzymanej wadze pomostowej powinny zachować dokładność 10 do 20 lat . Osiągnięcie tego okresu użytkowania wymaga ciągłego zwracania uwagi na kilka kluczowych obszarów.
Liczba i rozmieszczenie czujników wagowych pod platformą wagi wpływa zarówno na dokładność pomiaru, jak i na redundancję systemu. Nie ma jednego uniwersalnego standardu — konfiguracje są wybierane na podstawie długości pokładu, oczekiwanych typów pojazdów i wymagań dotyczących dokładności.
Zwykle wykorzystuje się standardową 18-metrową jednoplatformową wagę pomostową 6 ogniw obciążnikowych : po dwa pod każdą z trzech głównych belek poprzecznych. Zapewnia to dobry rozkład obciążenia i wystarczającą redundancję — w przypadku awarii jednego ogniwa system często może wykryć awarię na podstawie niezrównoważonego odczytu narożnego, a nie katastrofalnej niedokładności. Używane są niektóre aplikacje o wysokiej precyzji 8 komórek pod czterema belkami poprzecznymi dla lepszego pokrycia.
Wagi wielopokładowe – w których każdy pokład waży oddzielnie poszczególne grupy osi – wymagają oddzielnych zestawów komórek pod każdym pokładem, przy czym każda grupa komórek jest przetwarzana niezależnie. Przydałaby się czteropokładowa waga pomostowa 16 do 24 czujników wagowych w sumie każda grupa jest kalibrowana niezależnie, aby zapewnić, że zsumowanie odczytów poszczególnych osi równa się całkowitej masie pojazdu zmierzonej podczas ważenia pojazdu jako całości.
Ważna jest symetria rozmieszczenia komórek. Asymetrycznie rozmieszczone komórki tworzą nierówną mapę czułości na powierzchni pokładu: obciążenia w pobliżu skupisk komórek rejestrują się dokładniej niż obciążenia umieszczone w połowie odległości między komórkami. Praktyka montażu wysokiej jakości polega na sprawdzeniu wrażliwości narożników ukończonej instalacji za pomocą masy referencyjnej umieszczonej w każdym narożniku i porównaniu odczytów. Widać dobrze zrównoważoną instalację zmienność mniejsza niż ±0,1%. w pozycjach narożnych.
Dodać: Budynek 3, nr 355, Xiangshan East Road, Binhai Economic Development Zone, Cixi City, Ningbo, Zhejiang, Chiny.
Tel: +86-18969402526
Telefon: +86-0574-86864809
E-mail:
