لود سل چیست و چه کاربردی دارد؟

شکل 1. نمونه ای متداول از لود سل

لود سل (load cell) ابزاری است که یک نیرو یا بار را به خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. لود سل ها انداع مختلفی مانند هیدرولیکی، پنوماتیکی، کرنش سنج (strain gage)، پیزوالکتریک و ظرفیتی (خازنی) دارند. در این نوشتار به لود سلهای از نوع کرنش سنج می‌پردازیم. این نوع لودسلها متداولترین نوع هستند و یک نیرو یا بار را به سیگنال الکتریکی معادل تبدیل می کنند.

لودسلهای کرنش سنج برای اندازه گیری دقیق یک وزن ایستا یا بار شبه دینامیکی طراحی شده اند. نیروی اعمال شده باعث تغییر مقاومت در کرنش سنج هایی می شود که به سازه داخلی مبدل نصب شده اند. میزان تغییر در مقاومت با تغییرشکل در سازه مبدل و در نتیجه نیروی اعمالی متناسب است.

لود سلها کاربرد زیادی در صنایع مختل دارند و کاربرد عمده آنها در اندازه گیری وزن یا نیرو و بار اعمالی است.

کرنش سنج

وقتی باری بر یک جسم اعمال می‌شود، آن جسم به میزان مشخصی تغییر شکل می یابد. این تغییر شکل به ابعاد و ماده سازنده جسم و نیز اندازه بار اعمال شده بستگی دارد. نسبت تغییرشکل به اندازه اولیه جسم به کمیتی به نام کرنش موسوم است.

کرنش سنج ها مقاومت هایی هستند که به نسبت بار اعمال شده بر آنها و تغییرشکلی که تجربه می کنند، مقاومتشان تغییر می کند. آنها از یک فویل مقاومتی که بر روی ماده پشتیبان پیچیده شده ساخته شده اند. با کشیده شدن کرنش سنج، مقاومت آن افزایش می یابد و با متراکم شدن آن نیز میزان مقاومت کاهش می یابد. میزان تغییر مقاومت آن معیاری از تغییرشکل آن است (شکل 2).

شکل 2. تعریف کرنش

پل وتستون

بسیاری از لود سلها از پیکربندی پل وتستون که از چهار مقاومت ساخته شده تبعیت می کنند. ایج چهار مقاومت بصورت شبکه های جمع و تفریق عمل می کنند. پل وتستون امکان جبران اثرات دمایی را می دهد.  یک ولتاژ 5 تا 20 ولتی مستقیم یا متناوب به عنوان ولتاژ تهییج برای راه اندازی پل لازم است.

نسخه ساده شده ای از یک لود سل کرنش سنجی که با استفاده از پل وتستون ساخته شده در شکل 3 نشان داده شده است. کرنش سنج های مورد استفاده در پل وتستون دارای مقاومت یکسانی هستند و زمانی که باری بر آنها اعمال نشده یک پل متوازن را می‌سازند. با اعمال بار بر کرنش سنج ها، آنها تغییرشکل یافته و مقاومتشان تغییر می کند. در نتیجه توازن پل به هم می خورد و ولتاژ خروجی تولید می شود که با بار اعمال شده بر آنها متناسب است.

بار اعمالی بر لود سل باعث می شود گیج های تنشی (T1 و T2) کشیده شده و گیج های تراکمی (C1 و C2) فشرده شوند. سپس یک ولتاژ خروجی از طریق سیم های سیگنال (+S و –S) به مبدل سیگنال فرستاده می شود تا ولتاژ خروجی را به مقدار معادل نیرو تبدیل کند.

عواملی مانند دما، طول سیم مورد استفاده برای تکمیل مدار و مکان قرار دادن گیج بر میزان مقاومت پل اثر گذارده و خطا در مقدار اندازه گیری شده را موجب می شوند. در لود سلهای دقیق این اثرات با افزودن مقاومت به پل جبران می شوند. بسیاری از لود سل ها از کد سیم کشی که در جدول شکل 5 نشان داده شده تبعیت می کنند.

منبع

Load Cell Handbook, PCB Load and Torque Group