Strain Gage (Gerinim Ölçer) ile Gerinim ve Basınç Ölçümü

Giriş

Gerinim ve basınç sensörleri, statikten dinamiğe birçok ölçüm uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, ağırlık ölçümü için yük hücresi (loadcell) sensörlerinin içinde ve belirli tür ivme ölçer sensörlerinde yaygın olarak kullanılırlar. Sapma, titreşim, yük, tork, basınç, gerilim (stress) ve gerinim (strain) ölçümlerinde strain gageler sıkça kullanılmaktadır.

Gerinim ölçere bazen elektriksel direnç gerinim ölçer veya basitçe bir direnç gerinim ölçer de denir. Gage ayrıca gauge olarak da yazılabilir – bu sadece bir tercih meselesidir ve hiçbir fark yaratmaz.

Ancak, test edilen mekanik bir nesnenin deformasyonu nedeniyle çıktılarının büyük ölçüde dalgalandığı oldukça dinamik ölçüm uygulamalarında da kullanılırlar.

Binlerce RPM’de dönen bir tahrik miline monte edilmek ve şaft üzerindeki yük dinamik olarak değiştikçe gerilme ve burulmaya maruz kalır. Strain gageler bu gibi sayısız uygulamada kullanılmaktadır.

Strain Gage (Gerinim Ölçer) Sensörleri

“Gerinim” olarak adlandırılan özellik, bir nesnenin orijinal gerilimsiz uzunluğuna kıyasla uzunluktaki değişim oranı olarak kabul edilir.

Strain gage (gerinim ölçer), harici bir kuvvetin neden olduğu uzunluktaki bu değişikliği ölçebilir ve bunu daha sonra dijital değerlere dönüştürülebilen, görüntülenen, toplanabilen ve analiz edilebilen bir elektrik sinyaline dönüştürebilir. Bu işe yarar çünkü bir gerinim ölçer sensörü gerilirken veya sıkıştırılırken dirençte bir değişiklik yaşar.

Bir strain gage (gerinim ölçer), dirençteki bir değişiklik vasıtasıyla gerilimi ölçer. Bir strain gagede, metalin test edilen nesneden yalıtılmasına da hizmet eden esnek bir alt tabaka üzerine bir metal levha (foil) modeli monte edilir. Foil deseninden bir akım geçirilir. Test edilen nesne foil desenine paralel eksende gerildiğinde (yani büküldüğünde veya burulduğunda), sapma miktarıyla orantılı bir direnç değişikliği oluşur.

Wheatstone Köprüsü

Bir iletken gerildiğinde direnci artar. Sıkıştırıldığında direnci azalır. Dirençteki bu değişiklik bir Wheatstone köprüsü kullanılarak ölçülebilir.

Aşağıdaki diyagramda gösterilen bir Wheatstone köprü devresi, bir ayağı bilinmeyen değere sahip bir köprü devresinin iki ayağını dengeleyerek bilinmeyen bir elektrik direncini (Rx) ölçer. Diğer üç direncin bilinen değerleri olduğundan ve bunlardan biri de ayarlanabilir olduğundan, devre, herhangi bir noktada Rx direncinin ne olduğunu belirleyebilir.

Dört dirençten biri tek eksen ölçümü yapmak için kullanıldığında, buna çeyrek köprü bağlantısı denir. Sinyal düzenleyici, üç eksik sensörü sağlamalı ve devreyi dengelemeli, sensörün direnç değerini gerçek zamanlı olarak sonuç olarak vermeli ve bu direnci yararlı bir gerinim ölçümüne dönüştürmelidir (V’den akım geçmediğinde devre dengelenir denir).,

Bu nedenle, iki sensörün kullanılması yarım köprüdür ve dört sensörün tümü ile ölçüm almak, tam köprü yapılandırmasıdır. Yukarıdaki tam köprü şemasında, sensörün çıkış voltajı C ve B’de ölçülürken, uyarma (excitation) voltajı A ve D’den verilir.

Strain Gage (Gerinim Ölçer) Türleri

Bir seferde birden fazla yönde gerilimi ölçebilen birden fazla sensörlü gerinim ölçerler vardır. Bunlar tipik olarak strain gage (gerinim ölçer) rozetleri olarak adlandırılır ve farklı uygulamalar için farklı geometrilerde mevcuttur.

En yaygın rozetler, iki sensörün 0° ve 90° (birbirine dik) monte edildiği çift eksenli rozet ve üç sensörün 0° – 60° – 120 ° veya 0 ° – 45 ° – 90° gibi belirli bir düzende düzenlendiği üç eksenli rozettir.

Köprü Tamamlama Açıklaması

Sinyal koşullandırıcı Wheatstone Bridge devresini tamamlamak için gereken eksik dirençleri sağladığında, buna köprü tamamlama adı verilir. Örnek olarak, Dewesoft’un STG serisi sinyal koşullandırıcıları bu tamamlamayı sağlar ve hatta 120Ω ve 350Ω tamamlama dirençleri arasında seçim yapmanıza izin verir.

Bu tamamlanma üzerindeki kontrol tamamen Dewesoft X veri toplama yazılımı aracılığıyla yapılır: yapılması gereken herhangi bir fiziksel anahtar (switch) veya ayar yoktur. Bu durumda, sinyal koşullandırıcı aslında donanımda “eksik” dirençlere sahiptir ve yazılımdaki kurulumunuza bağlı olarak bunları devrede doğru yere konumlandırır.

Gage Faktörü Nedir ?

Bir strain gage satın aldığınızda, paket tipik olarak GF veya gösterge faktörünü (veya gerinim faktörünü) gösterecektir. Bu, 2 civarında bir sayıdır. Yazılımda sensörü kanal ayarlarını yaparken bunu bilmek önemlidir. Bu faktör, sensörün doğal direnci üzerindeki gerilmenin neden olduğu direnç değişikliğinin gerilimin kendisine bölünmesiyle ilgilidir. Yine, Dewesoft X veri toplama yazılımı ve bir Dewesoft STG serisi sinyal koşullandırıcı kullanarak bir sensör bağlantısı yapılırken, Gage Factor, mükemmel ölçümler sağlamak için gerekli tüm matematiği yapacak olan yazılıma doğrudan yazılabilir.

Sıcaklığa Bağlı Direnç Değişimi – Sıcaklık Telafisi

Bu noktada, sıcaklığı ve bu ölçümlerin doğruluğu üzerindeki etkisini merak ediyor olabilirsiniz. Sonuçta, direnç ölçümlerinden bahsettiğimiz her an, sıcaklık bir faktördür çünkü ölçümü çok kolay değiştirebilir ve yanlış okumalara neden olabilir. Gerinim ölçer sensörlerinin, telafi edilmedikçe doğruluklarını etkileyecek olan sıcaklığa duyarlı oldukları bilinmektedir.

Sensördeki sıcaklık değişimleri sadece ortam sıcaklığından değil (bir sensörün güneşte olduğunu veya çalışan bir motora doğrudan monte edildiğini, diğerinin ise olmadığını düşünün), ama aynı zamanda Wheatstone köprüsüne güç sağlayan akımdan da kaynaklanıyor! Bu aynı zamanda kendi kendine ısınma doğal olayı olarak da bilinir.

Uyarımın ne kadar uzağa gitmesi gerekiyorsa, o kadar büyük olması gerekecektir, bu da uyarmanın kendisi tarafından sensörün daha da fazla ısınmasına neden olur. Ek olarak, kurşun tel direncinin kendisi, örneğin sensör ile sinyal düzenleyici arasında istisnai derecede büyük mesafeler olması durumunda ölçümü etkileyen bir faktör haline gelebilir.

Bu değişkenler nedeniyle, Dewesoft STG sinyal koşullandırıcılar, SENSE hatlarının köprü devresinin köşelerine bağlanmasına izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu çizgiler, sinyal düzenleyicinin koşullandırıcıdaki ve sensördeki uyarma arasındaki farkı ölçmesine ve devreyi buna göre otomatik olarak ayarlamasına, hatayı reddetmesine ve doğru ve kararlı okumalar sağlamasına izin verir.

Noktalı çizgiler, algılama hatlarını konnektöre bağlamak mümkünken, bu özellikten tam olarak yararlanmak için sensörün kendisine bağlanmanın tercih edildiğini göstermektedir.

Strain Gage (Gerinim Ölçer) Kalibrasyonu için Dahili Shunt

Bir shunt Wheatstone köprüsü devresinin bir ayağı boyunca bağlı olan bir dirençtir, devreyi geçici olarak dengesiz hale getitir. Bu yöntem, belirli bir gerilimi simüle eder ve shunt direncinin değeri bilindiğinden (tipik olarak 59.88 kΩ), bilinen bir ofset sağlar.

Bu shunt direncinin anlık olarak devreye sokulması genellikle bir testin hem başında hem de sonunda yapılır, böylece ölçülen verilere veri analizi sırasında referans verilebilir. Böylece, uzun bir testin tüm aralığı boyunca meydana gelebilecek herhangi bir temel hat kayması tespit edilebilir ve daha sonra matematiksel olarak dengelenebilir.

Dewesoft STG sinyal koşullandırıcılar, harici olarak bağlanma ihtiyacını ortadan kaldıran dahili bir shunt kal direnci sağlar (bu aynı zamanda kablolara dokunma ihtiyacını da ortadan kaldırır!). Ek olarak, Dewesoft X DAQ yazılımı, shunt kalibrasyonunu bir tık ile devreye almanıza olanak tanır. Shunt kalibrasyonu tek bir kanalda veya aynı anda birden fazla kanalda yapılabilir.

Shunt direncinin doğruluğu, nihai sonuçların doğruluğunu etkilediğinden her strain gage için önemlidir. Dewesoft gibi üreticiler, dirençlerin doğruluğunu belirtmek, nominal bir direnç ve tolerans özellikleri sağlamak söz konusu olduğunda en iyi uygulamaları takip eder. Nominal direnç, istenen değeri ohm cinsinden temsil ederken, tolerans 25 ° C’de ölçülen nominal değerden maksimum olası sapmadır.

Strain Gage (Gerinim Ölçer) ile Ölçümlerde En İyi Uygulamalar

Daha önce bahsedilen kendi kendine ısınma olayından kaçınmak için yapabileceğiniz en düşük uyarma (excitation) voltajını kullanmak en iyi uygulama olarak kabul edilir. Aynı zamanda, aralarından seçim yapabileceğiniz çeşitli uyarma seviyelerine sahip olmak son derece kullanışlıdır. Kaydedilen verilerinizin düşük gürültü ve optimum sinyal/gürültü oranını sağlamak için uyarı (excitation) hatlarının sinyal hatları gibi izole edilmesi önemlidir.

Bu aynı zamanda genel olarak tüm Dewesoft DAQ sistemlerinin gelişmiş AD dönüştürücü elektroniği ve özellikle SIRIUS DAQ donanımının DualCoreADC® teknolojisi yaklaşımı ile sağlanır. Sinyal kablolarının uzunluğu azaltmak, bu sensörlere gerinim verisi toplarken özellikle önemlidir, Dewesoft veri toplama sistemlerinin bütün doğal modüler yapısı bu tür uygulamalarda kesinlikle bir avantajdır.

Gerinim ve Gerilme Teorisi

Gerinim (Strain) Nedir?

Gerinim, bir nesnenin orijinal boyutuna ve şekline (orijinal uzunluğuna kıyasla uzunluktaki artış oranı) kıyasla yaşadığı deformasyon miktarı olarak tanımlanır. Gerinim terimi tipik olarak bir bölümün uzamasını tarif etmek için kullanılır. Bir nesne, üzerine etki eden bir dış kuvvetin sonucu olarak gerinim yaşayabilir. Gerinim, boyutsuz bir niceliktir ve genellikle yüzde olarak ifade edilir. Tipik gerinim ölçüleri çelik için 2 mm/m’den azdır ve genellikle mikro-strain birimi olarak ifade edilir. Bir mikrostrain, gerinim oluşturan bir deformasyonun milyonda birlik parçasıdır. Mikrostrain kısaltması olarak µε kullanılır.

Stress (Gerilme) Nedir?

Gerilme, birim alan başına uygulanan bir kuvvet olarak tanımlanır. Genellikle uygulanan kuvvetin bir sonucu olarak ortaya çıkar, ancak genellikle bir malzeme içindeki veya daha büyük bir sistem içindeki kuvvetin etkilerinden kaynaklanır.

Örneğin, tepeye sabitlenmiş ve aşağıya sarkan bir tel hayal edelim. Bu telin ucunu aşağı çekmek için ağırlıklar uygulayarak aşağı doğru bir kuvvet uyguluyoruz. Bunu aşağıdaki resimde görebiliyoruz, burada A telin orijinal kesit alanı ve L orijinal tel uzunluğu. Bu örnekte, malzeme (tel) eksenel gerilim olarak adlandırılan gerilmeye maruz kalır.

Birimler basınçla aynıdır çünkü basınç, gerilimin özel varyasyonudur. Stres, basınçtan daha karmaşık bir niceliktir, çünkü yön ve etki ettiği yüzeyle göre değişiklik gösterir.

Gerilme (ε) ve Young modülünü (E) çarparak gerilimi (σ) hesaplayabiliriz.

Kuvvet Denklemi

Bu nedenle

Çeliğin elastisite modülü (Young modülü) 210000 N / mm2 ve sensörün enine kesitinin 139 mm2 olduğu göz önüne alındığında:

Young Modülü Nedir?

Çekme modülü veya elastisite modülü olarak da bilinen Young modülü, elastik bir malzemenin sertliğinin bir ölçüsüdür ve malzemeleri karakterize etmek için kullanılan bir değerdir.

Bu değer gerilmenin (stress) gerinime (strain) oranı olarak tanımlanır.

Young modül değeri çok yüksek olan bir malzeme rijittir.

Young modülü [E], çekme gerilimini gerilme-gerinim (stress-strain) eğrisinin elastik kısmındaki uzama gerinimine bölerek hesaplanabilir:

Uluslararası Birimler Sistemine (SI) göre, Young modülünün birimi Pascal’dır (Pa veya N/m2 veya m − 1 · kg · s − 2). Kullanılan pratik birimler megapaskallar (MPa veya N/mm2) veya gigapaskallardır (GPa veya kN/mm2).

Amerika Birleşik Devletleri alışılmış birimlerinde, Young modülü inç kare başına pound (psi) olarak ifade edilir.

Bir strain genellikle μm/m (metre başına mikrometre) cinsinden ifade edilir ve ayrıca mikrostrain olarak da bilinir ve µε sembolüne sahiptir. Ayrıca uyarma volt başına milivolt cinsinden çıktıyı ifade eden “mV/V” de görebilirsiniz. Strain gagelerin, ölçüm ekseni boyunca gördükleri gerinim miktarıyla orantılı bir çıktı sağlamak için bir besleme voltajıyla uyarılması veya çalıştırılması gerekir.

• E, Young modülüdür (elastisite modülü);
• F, gerilim altındaki bir nesneye uygulanan kuvvettir;
• A0, kuvvetin uygulandığı orijinal kesit alanıdır;
• ΔL, nesnenin uzunluğunun değiştiği miktardır;
• L0, nesnenin orijinal uzunluğudur.

Elastisite Modülünün Ölçülmesi

Elastisite modülü ve akma gerilimi, mekanik bir test sistemi ile çekme testleri gerçekleştirerek hesaplanabilen iki yaygın malzeme özelliğidir.

Mekanik test sistemlerinin prosedürü, seçilen malzemenin iki çene arasına sıkıştırılmasıdır. Üst tutamak belirli bir yer değiştirme oranında yukarı hareket ederken alt tutamak yüzeyde sıkılır.

Test sistemi, malzemeyi germek için gereken kuvveti ve kulpların uygun şekilde yer değiştirmesini kaydeder. Mühendisler, bir numunenin orijinal kesit alanını ve çeneler arasındaki orijinal uzunluğu ölçer.

Bundan sonra, kuvvet verilerinden gerilimi ve yer değiştirme verilerinden gerinimi hesaplayabilirler. Tüm veriler daha sonra aşağıdaki resimde gösterildiği gibi gerilim-şekil değiştirme diyagramları oluşturmak için kullanılır.

Poisson oranı (ν) Nedir?

Poisson oranı, enine gerinimin eksenel gerinime negatif oranıdır (eksenel gerilmenin uygulanan yük yönünde olduğu varsayılarak). Bu oran tipik olarak Yunanca harf v ile verilir (ayrıca nu olarak yazılır). Bu etkiyi bir lastik bandı gererek görselleştirebilirsiniz – uçlarını birbirinden uzaklaştırdıkça, bandın genişliği küçülür. Çoğu malzeme, 0 ile 0.5 ν arasında bir Poisson oranı sergiler. Çelikler tipik olarak 0,3 ν’de ölçülürken, kauçuk neredeyse 0,5 ν’dur.

Stress (Gerilme) Türleri

1. Normal gerilme

İki normal gerilim vardır – Çekme ve basma. Çekme gerilmeleri pozitif, basma gerilmeleri negatiftir. Çekme veya basma kuvvetleri birbirine karşı etki ettiğinde normal gerilmeler ortaya çıkar.

Aşağıdaki resimde, dikdörtgen bir cisme uygulanan bir gerilme yükü görebiliriz. Dikdörtgen bir katının gerilme yüklerine tepkisi, kendi başına doğal yapı sisteminden çok daha yüksek olduğu için, takviye liflerinin gerilme sertliğine ve mukavemet özelliklerine çok bağlıdır.

Aşağıdaki şekil, basma yükü altındaki bir kompoziti göstermektedir. Elyafları düz kolonlar olarak tutmak ve burkulmalarını önlemek doğal yapısının görevi olduğundan burada reçine sisteminin mukavemet ve sertlik özellikleri çok önemlidir.

2. Kayma Gerilmesi

Aşağıdaki şekil, kesme yükü yaşayan bir kompoziti göstermektedir. Bu yük, bitişik lif katmanlarını birbirinin üzerine kaydırmaya çalışıyor. Kesme yükleri altında doğal yapısı gereği kompozit boyunca gerilmeleri aktararak önemli bir rol oynar.

Kompozitin kesme yükleri altında iyi performans göstermesi için malzemenin elemanının sadece iyi mekanik özellikler sergilemesi yeterli değil, aynı zamanda yüksek mukavemet özelliğine sahip olması gerekir.

Gerinim Türleri

1. Eksenel Gerinim

“Eksenel gerinim”, bir nesnenin yatay ekseni boyunca kuvvetin bir sonucu olarak nasıl gerildiğini veya sıkıştığını ifade eder. Matematiksel olarak eksenel gerilmenin Young Modülüne bölünmesi olarak tanımlanır.

2. Eğilme Gerinimi (Moment Gerinimi)

“Eğilme gerilmesi”, dikey ekseni boyunca uygulanan kuvvet nedeniyle bir nesnenin bir tarafta nasıl uzandığını ve diğerinde nasıl büzüldüğünü ifade eder. “Moment gerinimi” olarak da bilinen eğilme gerinimi, matematiksel olarak eğilme gerilmesinin Young’ın Elastisite Modülüne bölünmesi olarak tanımlanır.

3. Kesme Gerinimi

“Kesme Gerinimi” hem yatay hem de doğrusal eksenleri boyunca nesne deformasyonunun ölçümlerini birleştirir. Matematiksel olarak kayma gerilmesinin kayma gerilmesi modülüne bölünmesi olarak tanımlanır.

4. Burulma Gerinimi

“Burulma gerinimi”, test edilen nesnenin hem yatay hem de dikey eksenleri boyunca dairesel kuvveti ifade eder. Matematiksel olarak burulma gerilmesinin burulma esneklik modülüne bölünmesi olarak tanımlanır.

5. Basma Gerinimi

Basma gerinimi, iki eşit ve zıt kuvvet bir nesneyi sıkıştırmak için hareket ettiğinde üretilir. Bu meydana geldiğinde, nesnenin uzunluğu sıkıştırma gerilimi altında azalır.

Gerilme ve Gerilme Arasındaki İlişki Nedir?

Bir Gerilme-Gerinim eğrisi aracılığıyla gerilme ve şekil değiştirme arasındaki ilişkiyi görselleştirmenin en basit yoludur. Aşağıdaki grafikte bu eğrinin bazı çok kullanışlı malzeme özellikleri sunduğunu görebilirsiniz. Gerilme-Gerinim Eğrileri deney yoluyla hesaplanmıştır.

Bir gerilme-gerinim eğrisi yapısal çelik için tipiktir:

• Azami dayanım
• Akma dayanımı (akma noktası)
• Kopma
• Gerinim sertleştirme bölgesi
• Boyun bölgesi
• Görünen stress (gerilme) (F/A0)
• Gerçek stress (gerilme) (F/A)

Dewesoft Gerinim Ölçer Ölçüm Sinyal Koşullandırıcılar

SIRIUS Strain Gage DAQ Ölçüm Modülleri

SIRIUS veri toplama sistemleri , sinyal koşullandırmada en iyi performansı sunar ve elde edilen sinyallerden ödün vermez. SIRIUS, bugün satın alabileceğiniz en iyi sinyal koşullandırıcıdır.

SIRIUS DualCoreADC® teknolojisi, her kanalda bir örtüşme önleme filtresi ile ikili 24-bit delta-sigma AD dönüştürücülerini güçlendirerek zaman ve frekans alanlarında şaşırtıcı bir 160 dB dinamik aralık elde eder. Kanal başına 200 kS/s/ch örnekleme hızı ve SIRIUS dilimi başına 8 kanala kadar sunar. Bu, Dewesoft ürün serisinin amiral gemisidir – bir donanım ve yazılım şaheseri.

Strain Gage için SIRIUS DualCoreADC DAQ Modülleri

Strain Gageler için SIRUS High-Density DAQ Modülleri

Strain Gage için SIRIUS High-Speed DAQ Modülleri

Strain Gage için SIRIUS High-Speed DAQ Modülleri

KRYPTON® DAQ sistemlerin en dayanıklı ve yüksek performanslı veri toplama sistemleridir. Dewesoft sinyal koşullandırma ve yazılımın gücünü, su geçirmezdir ve yüksek etkili korumalarla paketlenmiş güçlü bir EtherCAT® arayüzü ile birleştirirler.

Ana Özellikler:

• Dağıtılabilir – veri toplama donanımınızı sensörlerinizin yakınında konumlandırabilirsiniz.
• Güç, veri ve senkronizasyon için cihazlar arasında 100 metreye (328 fit) kadar tek kablo
• Zorlu ortamlar için üretildi – IP67, toz geçirmez, su geçirmez, 100 g şok ve titreşime dayanıklı, geniş sıcaklık çalışma aralığı

KRYPTON Çok Kanallı Strain Gage DAQ Modülleri

KRYPTON Tek Kanallı Strain Gage DAQ Modülü

IOLITE DAQ ve Kontrol Sistemleri

Dewesoft’un IOLITE® DAQ sistemi, endüstriyel uygulamalar için özel olarak yapılmış gerçek zamanlı veri toplama sistemleridir. Her iki dünyanın en iyilerini – veri toplama ve kontrolü , diğer sistemlerin eşleşemeyeceği entegre bir şekilde birleştirirler.

Ana Özellikler:

• DUAL EtherCAT veri yolu: IOLITE, paralel olarak iki EtherCAT veri yolu kullanır. Birincil veri yolu, bir bilgisayara tam hızda arabelleğe alınmış veri alımı için kullanılır. İkincil veri yolu esasen herhangi bir üçüncü taraf kontrol sistemine gerçek zamanlı veriler için kullanılır.
• Ödünsüz Sinyal Koşullandırma: IOLITE, mükemmel sinyal kalitesi ve 20 kHz’e kadar örnekleme oranı sağlayan yüksek kaliteli  amplifikatörlere sahiptir.
• Yedekli Güç Kaynağı: çift EtherCAT® arayüzüyle birleştirildiğinde bu, maksimum sistem güvenilirliği sağlar.
• Kasa Seçimi: IOLITE, 19 inçlik kabin uyumlu kasada veya daha sağlam SIRIUS benzeri uyumlu kasada yapılandırılabilir.
• Fiyat / Performans Oranı: IOLITE mükemmel bir fiyat / performans oranı sunar ve test ortamı ve endüstriyel uygulamalar için uygundur.