Yük Hücresi Sensörü ile Nasıl Ağırlık Ölçülür?

Bu makalede, yük hücresi (load cell) sensörü ile nasıl ağırlık ölçebileceğini yeterli ayrıntılarla tartışacağız. Böylece:

  • Yük hücresi sensörünün nasıl çalıştığını göreceksiniz.
  • Bilim ve endüstride ağırlık ölçümlerinin nasıl yapıldığını öğreneceksiniz.
  • Bunları testinize nasıl dahil edebileceğinizi anlayacaksınız.

Başlayamaya hazır mısın? Hadi başlayalım.

Yük Hücresi Nedir?

Yük hücresi (load cell), bir kuvvet dönüştürücü veya kuvvet sensörüdür. Temel olarak ağırlık ölçmek için kullanılır. Tork, sıkıştırma, basınç vb. gibi diğer kuvvetleri ölçmek için kullanılabilseler de, bu makalede ağırlık ölçme uygulamalarına odaklanacağız.

Yük hücresi sensörüne bir örnek  Görüntü kaynağı: Daraceleste / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Yerçekimi, evreni uçmaktan koruyan dört temel kuvvetin en zayıfı olmasına rağmen, sadece onu doğrudan algılayabiliriz. Yerçekimi kuvveti cisimleri gezegenimizin merkezindeki demir çekirdeğe doğru çektiğinden, yeryüzündeki her şey onu bizzat deneyimler. Ağırlık ve kütle yerçekimi ile bağlantılıdır.

Dünya standart ağırlık ölçü birimi kilogramdır (kg). Ağırlık, mesafe ve hacimde imparatorluk ölçüm birimlerinin hala yaygın olarak kullanıldığı ABD’de bile, bu birimler metrik SI sistemini referans alır.

Yani ABD’de bir pound (ağırlık) başka bir imparatorluk ölçüm birimiyle değil, resmi olarak 0.45359237 kilogram olarak tanımlandı. Kilogramın kütlesini nasıl hesapladığımız, 2019’da dünya bilim adamları tarafından Planck sabitine referans vermek için tanımlandı ve bir fiziksel örnek referans edilerek yeniden tanımlandı.

Yerçekimini kaldırırsanız, bir nesne tam anlamıyla belli bir ağırlıkta olmaz ama kütlesi değişmeden kalır. Bir şeyi tarttığınızda, bu gezegene ilişkinin nesnenin kütlesini gerçekten ölçersiniz. Yani aslında, bir yük hücresi ağırlığı ölçer. Ancak bu sadece bu konunun dünyada ne anlama geldiğiyle ilgilidir.

Yük hücrelerinde, pnömatik yük hücreleri (genellikle yapısal güvenlik uygulamalarında kullanılan) gibi çeşitli temel teknolojiler vardır. Hidrolik yük hücreleri güç gerektirmez ve bu nedenle uzak, erişilmesi zor yerlerde sıklıkla kullanılır. Yüksek seviyeli (ancak doğrusal olmayan) bir çıktı sağlayan piezoelektrik yük hücreleri de vardır.

Ancak biz günümüzde dünyada kullanılan en yaygın tür olan strain gage tabanlı yük hücrelerine odaklanacağız. Strain gage tabanlı yük hücreleri ucuzdurlar, çok güvenilirdirler ve çok geniş aralıktaki kuvvet girdilerini hesaplamaya uygundurlar. Tartım endüstrisinin fiili standardıdır ve %0,25 ve daha iyi doğruluk sağlar.

Farkına bile varmadan her sabah strain gage tabanlı yük hücresi içeren bir makine kullanıyor olabilirsiniz. O, bunun gibi görünüyor olabilir:

Dijital tartı, bir strain gage tabanlı yük hücresi cihazıdır

Klasik mekanik tartılar, uygulanan ağırlığı dağıtmak ve mekanik bir kadrana bağlı bir yayı sürmek için bir dizi kaldıraç kullanırken; günümüzün dijital modelleri, ağırlığınızı hesaplamak için birçok strain gage tabanlı yük hücresi kullanır.

Ayağınızı ölçüm plakasına bir kez bastığınızda, mikro denetleyici “uyanır” ve strain gagelerin sıfır ofset kalibrasyonunu gerçekleştirir. Daha sonra dijital ekran 0,0 kg (veya lbs) değerini gösterir ve adım atmanız ve kendinizi tartmanız için hazırdır.

Daha iyi dijital tartılarda, tartının dört köşesinin her birine bir strain gage tabanlı yük hücresi yerleştirilir. Aslında, genellikle tartının “ayaklarına” yerleştirilirler. Yük hücrelerinin ikisi çekme modunda, diğer ikisi ise basma modunda konumlandırılmıştır.

Tartıya adım attığınızda mikro denetleyici çıktıları alır ve bunları seçilen ölçüm birimindeki toplam ağırlık değerine dönüştürür ve bu sayıyı göstergede görüntüler. Bazı modeller, ortam sıcaklığını ve denklemin içindeki faktörü ölçmek için bir termokupl kullanır, çünkü strain gageler direnç tabanlı sensörlerdir ve sıcaklıktan etkilenirler.

Tamam, bu eğlenceliydi, ama şimdi hadi bilimsel ölçüm DAQ uygulamaları için kullanılan yük hücrelerine bakalım.

Strain Gage Tabanlı Yük Hücresi Nasıl Çalışır?

Bir strain gage, gerinimi bir direnç değişikliği vasıtasıyla ölçer. Bir metal folyo kalıp aynı zamanda bir yalıtkan görevi de gören esnek bir alt tabaka üzerine monte edilmiştir. Folyo kalıbın içinden bir akım geçirilir. Test edilen cisim gerilim altındayken (örneğin, sıkıştırıldığında ya da gerginleştirildiğinde), dirençte sapma miktarı ile orantılı bir değişiklik vardır.

Tam köprü strain gage sensörü

Bir iletken gerildiğinde direnci artar. Sıkıştırıldığında ise direnci azalır. Dirençteki bu değişiklik, bir modelde düzenlenmiş dört strain gage sensörü olan bir Wheatstone köprüsü kullanılarak ölçülebilir.

Strain Gage işlemi (belirginlik için abartılı bükülme)

Wheatstone Köprüsü Şeması  

Dört sensörün tümü ile ölçüm yaparak tam köprü yapılandırmasına gidilir. Yukarıdaki tam köprü şemasında uyarma voltajı A ve D’den sağlanırken, sensörün çıkış voltajı B ve C’den ölçülür.

Dolayısıyla mekanik bir yapı üzerine bir strain gage taktığımızda ve daha sonra yapıyı ağırlık gibi bir strese veya bir kuvvete maruz bıraktığımızda, strain gage bu kuvvetin neden olduğu nispi sıkıştırma veya gerilimi ölçecektir. Bu yapının üzerine monte edilen strain gage sensörü ile kombinasyonu, aslında bir yük hücresidir.

Şimdi bu yük hücrelerinin çeşitli şekil ve boyutlarına ve nasıl kullanıldıklarına bakalım.

Strain gageler ve gerinim ölçümü hakkında daha fazla bilgi için:

Yük Hücreleri Ölçüm Uygulamaları

Büyük ve küçük yük hücreleri için neredeyse sınırsız sayıda olası uygulama vardır. Akla gelenlerden sadece birkaçı şunlardır:
  • Malzeme Testi – Parçaların ağırlıklarının ölçülmesi
  • Havacılık – Jet motorlarının itme kuvvetinin test edilmesi, tekerlekler ve alt takım üzerindeki yükün ölçülmesi
  • Denizcilik – Demirleme hatlarındaki gerilimin incelenmesi
  • Taşımacılık – Elektrikli, benzinli ve dizel motorlarda tork ölçümleri, aks yükü izleme, tren ve kamyon tekerlek yükleri, otoyol tartım istasyonlarında yük ağırlıklarının ölçülmesi
  • Endüstriyel – Dişli kutuları ve pompalarda kuvvet ölçümleri, denizaltı boru döşeme uygulamalarında gerilim ölçümleri, kağıt ve çelik fabrikası uygulamalarında gerilim ve kuvvet ölçümleri, hazne ve alet tartımı
  • Medikal/Sağlık – Fizik tedavi ve egzersiz ekipmanlarında yük ölçümleri, hastayı tartan hastane yatakları, hassas bebek tartıları ve bebek kuvöz tartıları
  • İnşaat – Asansörlerde kablo kuvvetleri, uluslararası standartlara göre iskele kuvvetleri. İlginç bir uygulama örneği için, bkz.  https://dewesoft.com/case-studies/scaffolding-test-safety-approval
  • Eğlence – S tipi yük hücreleri akrobatları ve oyuncuları kaldırmak için kullanılan kabloların ortasını kurulur ve kuvvetlerin öngörülen seviyeleri aşmaması sağlanır.
  • Petro-kimya – Petrol ve gaz sondaj aletleri üzerindeki kuvvetlerin ölçülmesi
  • Çiftçilik – Kanallardan geçen çiftlik hayvanlarının ağırlığının ölçülmesi, kablolar ve barındırma ekipmanı üzerindeki kuvvetlerin ölçülmesi, hazne, maşrapa ve ambar tartımı
  • Tüketici – Dijital ev tartıları
Sadece bir düzine kadar uygulama ile temsil edilen çeşitliliği göz önüne aldığımızda, kuvvet ve ağırlık ölçümlerinin sıcaklık ölçümlerine benzer olduğu açıktır, çünkü her sektörde on binlerce uygulama için temeldir.

Yük Hücreleri Kullanılırken Dikkat Edilmesi Gerekenler

Maksimum Yük Değerleri

Sadece ölçmek istediğiniz yükün türüne veya yönüne uymakla kalmayıp aynı zamanda maksimum beklenen yükü kaldırabilecek bir yük hücresi seçmek de önemlidir.

Örneğin, yük hücreleri maksimum kg (veya lbs) cinsinden değerlendirilir. 1000 kg’a kadar ölçmek için, bu ağırlığın en az 1,5 ila 2 katı olarak derecelendirilmiş bir yük hücresi istemelisiniz.

İki Nokta Kalibrasyonu ve Sıfırlama

Her bir yük hücresinin birlikte yüklendiği kalibrasyon sayfası, tercih edilen uyarma voltajını ve içine yerleştirilmiş olan strain gagenin hassasiyetini gösterecektir. Yazılımı, genellikle kg veya lbs olmak üzere istenen ölçüm birimindeki çıktıyı doğru bir şekilde ölçecek şekilde ayarlamak için bunlara ihtiyacınız olacaktır.

Dewesoft X yazılımında, herhangi bir sensörün ZERO kalibrasyonunu gerçekleştirmek oldukça kolaydır, örneğin tüm yükleri kaldırın ve ardından yazılımda ZERO’ya basın (tıpkı dijital tartının otomatik olarak yaptığı gibi). Ayrıca, bilinen bir referans yükü kullanarak 2 noktalı bir kalibrasyon gerçekleştirerek yük hücrenizin sıfır ile uyguladığınız referans yük arasında doğrusal değerler, doğru çıktılar sağladığına emin olabilirsiniz.

Dewesoft X DAQ yazılımı içinde bir yük hücresinin kurulması ve kalibrasyonu

Çevresel Faktörler

Yük hücresi, aşındırıcı gazlar, su, buhar vb. içeren bir ortamda kullanılacaksa, korozyona dayanıklı olarak derecelendirilmiş bir yük hücresi kullanılmalıdır. Paslanmaz çelik yük hücreleri (IP65 ve üstü gibi yüksek IP değerleri olan), özellikle bu zorlu ortamlar için üretilmiştir. Ve elbette, patlayıcı bir ortamda kullanılacak herhangi bir sensör veya sistem, yasal gerekliliklere bağlı olarak kendinden güvenlikli ve/veya patlamaya dayanıklı olarak onaylanmalıdır.

Yük Hücresi Tipleri

Çeşitli uygulamalar için çeşitli şekil ve boyutlarda yapılmış yük hücreleri vardır. Günümüzde mevcut olanlardan bazıları şunlardır:

  • Lama Tipi Yük Hücreleri
  • Canister Tipi Yük Hücreleri
  • S Tipi Yük Hücreleri
  • Bası Tipi Yük Hücreleri
  • Yassı Tip Yük Hücreleri

Lama Tipi Yük Hücreleri

Tek nokta yük hücreleri ile yükü dört veya daha fazla strain gage sensörüne dağıtan ağır hizmet tipi sıkıştırma modelleri arasında, daha fazla doğruluk ve kapasite konusunda bir ayrım vardır. Yukarıdaki tablo, temel yük hücresi tiplerinin sadece bir kısmını temsil etmektedir. Diğer birçok özelliğin yanı sıra özel uygulamalar ve ortamlar için tasarlanmış çeşitli özel türleri vardır. Çok küçük yerlerde kullanılabilen düşük profilli, minyatür ve ultra minyatür yük hücreleri vardır. Spektrumun diğer ucunda, yüzlerce tonu ölçmek için kullanılan oldukça büyük olan yük hücreleri vardır.

Lama Tipi Yük Hücresi Görüntü kaynağı: Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Endüstriyel tartı uygulamaları için yaygın olarak lama tipi yük hücreleri kullanılır. Çubuğun bir ucu bir yapıya sabitlenirken, sensörün serbest ucuna bir kuvvet uygulanır. (Aşağıdaki grafikte F olarak görebilirsiniz.)

Yük hücresinin üst ve alt kısımlarına yerleştirilmiş olan dört strain gagenin ve yük hücresinin yapısının bu kuvvet uygulandığında veya kaldırıldığında ne kadar zorlandığına bağlı olarak uzamasına ya da sıkışmasına neden olur. Strain gagenin potansiyelindeki bu küçük değişiklikler, Dewesoft X veri toplama yazılımımızda kolayca ağırlığa dönüştürülür.

Lama Tipi Yük Hücresi Uygulaması

Canister Tipi Yük Hücreleri

“Canister tipi yük hücresi” olarak da bilinen sıkıştırma yük hücresi, en temel yük hücresi tipidir. Üzerine yerleştirilen bir yükün ağırlığını ölçmek için endüstriyel bir ölçek olarak kullanılır. İsmini teneke kutuya benzeyen şeklinden alır.

Canister Tipi Yük Hücresi Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

S Tipi Yük Hücreleri

S-beam tipi yük hücreleri itme/çekme uygulamalarının ikisi için de uygundur. Bu tip yük hücreleri ismini belirgin şekillerinden alırlar. Genellikle çelik kablonun ortasına bağlanırlar.

S Tipi Yük Hücresi Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Bası Tipi Yük Hücreleri

Bu tiplerin bazıları sadece sıkıştırma için kullanılırken, bazıları da hem sıkıştırma hem de çekme için kullanılabilirler. Orta delik, yapının bir kısmının gerekirse yük hücresinden geçmesine izin verir. Bazı modellerde, ek mekanik bağlantılar için merkez deliğin etrafında ek delikler bulunur.

Bası Tipi Yük Hücresi
Görüntü kaynağı: Forsentek

Yassı Tip Yük Hücreleri

Yassı tip yük hücreleri hem gerinim hem de sıkıştırmanın (çekme ve itme) meydana geleceği uygulamalar için tasarlanmıştır.

 

Yassı Tip Yük Hücresi Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Dewesoft Yük Hücresi Uyumlu Veri Toplama Sistemleri

SIRIUS DAQ Sistemleri

Sirius DAQ sistemleri, her kanalda bulunan anti-aliasing filtresi ile çift 24 bit delta-sigma ADC dönüştürücüyü artıran, şaşırtıcı bir şekilde zaman ve frekans tabanında 160 dB dinamik aralığına her kanal için 200kS/s/ch’e kadar örnekleme hızı sağlayan DualCoreADC® teknolojisi sunar.

SIRIUS modelleri 8 veya 16 analog giriş kanalına sahip olabilir. Her SIRIUS DAQ sistemi, eksiksiz sistem kurulumu, çalıştırma, görüntüleme, depolama, analiz ve rapor oluşturma için ödüllü DEWESoft X veri toplama yazılımı içerir.

Yük hücresi sensörüyle uyumlu SIRIUS modüllerinin listesi aşağıdadır:

  • SIRIUS STG (8 kanal), 200 kS/s, bütün strain tiplerini destekler, yüksek girdi aralığına sahiptir
  • SIRIUS STGM (8 kanal) 200 kS/s, düşük güç, sensör ve modül dengesi
  • SIRIUS-LV (8 kanal), 200 kS/s, tam köprü bağlantısını destekler
  • SIRIUS-HD STGS (16 kanal) 200 kS/s, düşük güç, sensör ve modül dengesi
  • SIRIUS-HS STG (8 kanal) 1 MS/s, bütün strain tiplerini destekler, yüksek girdi aralığına sahiptir
  • SIRIUS-HS-LV (8 kanal), 1  MS/s, tam köprü bağlantısını destekler

Daha fazla bilgi için SIRIUS DAQ sistemleri sayfasını ziyaret edebilirsiniz.

https://dewesoft.com/products/daq-systems/sirius

KRYPTON DAQ Sistemleri

KRYPTON DAQ ailesi modül başına 1, 3 ve 6 kanallı sağlamlaştırılmış strain gage modülleri sunar. Diğer sensör ve sinyal türleri için başka birçok KRYPTON ve KRYPTON ONE modülü mevcuttur. KRYPTON DAQ modülleri IP67 koruma derecesi sunar ve zorlu çalışma koşulları-şok, titreşim ve aşırı sıcaklıklar- için tasarlanmıştır. Her KRYPTON sistemi, eksiksiz sistem kurulumu, çalıştırma, görüntüleme, depolama, analiz ve rapor oluşturma için ödüllü DEWESoft X veri toplama yazılımı içerir.

Yük hücresi sensörüyle uyumlu KRYPTON DAQ modüllerinin listesi aşağıdadır:

  • KRYPTON-3xSTG ve KRYPTON-6xSTG: tüm strain gage tiplerini ve yüksek girdi aralığını destekleyen 3 veya 6 kanallı DAQ modülleri
  • KRYPTONi-1xSTG: tüm gerinim tiplerini ve yüksek girdi aralığını destekleyen 1 kanallı izole edilmiş DAQ modülü

Daha fazla bilgi için KRYPTON DAQ sistemleri sayfasını ziyaret edebilirsiniz .

https://dewesoft.com/products/rugged-daq-systems/krypton

IOLITE DAQ ve Kontrol Sistemleri

IOLITE DAQ ve kontrol sistemi, güçlü veri alımını çift EtherCAT ara yüzleri üzerinden gerçek zamanlı kontrol ile birleştirir. IOLITE-6xSTG’nin ayrıca diğer çeşitli sensörleri işlemek için uyarlanan DSI modüllerini de tanıdığını unutmayın. 19” rack modelinin yanı sıra tezgah üstü(benchtop) modeli de mevcuttur. Her IOLITE sistemi, eksiksiz sistem kurulumu, çalıştırma, görüntüleme, depolama, analiz ve rapor oluşturma için ödüllü DEWESoft X veri toplama yazılımı içerir.

Yük hücresi sensörüyle uyumlu IOLITE DAQ modüllerinin listesi aşağıdadır:

  • IOLITE-6xSTG (6 kanal): tüm gerinim tiplerini ve yüksek girdi aralığını destekler

Daha fazla bilgi için IOLITE DAQ & kontrol sistemi sayfasını ziyaret edebilirsiniz.

https://dewesoft.com/products/daq-and-control-systems/iolite

DEWE-43A DAQ Sistemi

DEWE-43A, DB-9 konektörlerinde sekiz tam köprü/düşük voltaj girişi ayrıca 8 sayaç(counter)/enkoder girişi ve iki yüksek hızlı CAN veri toplama ara yüzü içeren taşınabilir 8 kanallı bir DAQ modülüdür.

Herhangi bir Windows bilgisayarına kilitlemeli USB konektörü ile bağlanır. Analog girişleri tam köprü bağlantıları için kullanılabilir veya çeyrek köprü ve yarım köprü bağlantıları için DSI adaptörleri kullanabilirsiniz.

Diğer DSI adaptörleri, her girişin IEPE, şarj, LVDT, 200V, amper, miliamper vb. gibi diğer sinyalleri işlemesine izin verir. Her      DEWE-43A sistemi, eksiksiz sistem kurulumu, çalıştırma, görüntüleme, depolama, analiz ve rapor oluşturma için ödüllü DEWESoft X veri toplama yazılımı içerir.

  • DEWE-43A: analog giriş (8 kanal) 200 kS/s. Tam köprüyü destekler (diğerlerini DSI adaptörlerle destekler)

Daha fazla bilgi için DEWE-43A DAQ sistemi sayfasını ziyaret edebilirsiniz.

https://dewesoft.com/products/daq-systems/dewe-43