Mérlegcella

Egypont mérlegcella

Nyomócella

A mérlegcella egy olyan érzékelő, melynek a kimenő elektromos jele egyenesen arányos az általa mért tömeggel. Működési elvében, felépítésében hasonló érzékelő az erőmérő cella, mely esetén az kimenő elektromos jel a mért erővel arányos. Általában a mérlegcellát és az erőmérő cellát az különbözteti meg, hogy a mérlegcella kg (kilogramm) vagy t (tonna) skálázású, míg az erőmérő cella N (newton) vagy kN skálázású. A mérlegcellák és erőmérő cellák számtalan különböző mérési elven működhetnek, lehetnek nyúlásmérő bélyegesek vagy piezoelektromosak.

Nyúlásmérő bélyeges mérlegcellák és erőmérő cellák

Húzó-nyomó cella

A nyúlásmérő bélyeges mérlegcellák és erőmérő cellák a legelterjedtebbek az ipariban. Ezek a cellák nagy merevségűek, a sajátfrekvenciájuk magas frekvenciatartományban van, és általában hosszú élettartamúak. A cellák mérési elve, hogy ha a cellatest alakváltozást szenved el, akkor vele együtt deformálódik a benne lévő nyúlásmérő bélyeg(ek) is, miközben megváltozik az abban lévő vezető ellenállása. Különböző terhelések hatására különböző ellenállás változást lehet mérni, ilyen módon skálázható, kalibrálható a cella.

A mérlegcellák és erőmérő cellák általában több (legalább 4) nyúlásmérő bélyeget alkalmaznak, azokat teljes Wheatstone-hídba kötve. Ettől eltérően előfordulhat még 1 bélyeget tartalmazó (negyedhídba kötött), illetve 2 bélyeget tartalmazó (félhídba kötött) cella is. A bélyegek száma, elhelyezkedése és bekötése döntően befolyásolja a cella érzékenységét, mérés pontosságát, a hőmérséklet változására érzékenységet. A kimenő elektromos jel tipikusan pár millivolt, így a legtöbb esetben erősíteni kell a jelet, mérőerősítő szükséges a használatához. A kimenő elektromos jel tömegre vagy erőre skálázható. Néhány cellát nagy felbontású, 24 bites előerősítővel látnak el, így a jelük direktben használható. Ezeket a cellákat digitális mérlegcellának vagy digitális erőmérő cellának hívjuk.

A cellatest kialakítása

Több különböző kialakítású cellatest terjedt el:

• Csapcella: azokat a cellákat hívjuk így, melyek fektetett csap vagy hasáb alakúak, és az egyik végükön befogják, a másik végükön pedig megterhelik őket. Mérési elvük szerint lehetnek nyírócellák vagy hajlítócellák.
• Egypont mérlegcella: kinézetében hasonló a csapcellához, de a kialakítása alkalmassá teszi arra, hogy a terhelés helyzete ne befolyásolja a mérést.
• Nyomócella: hengeres vagy hasáb alakú, csak tengely irányú nyomó terhelés felvételére alkalmas cella.
• Húzó-nyomó cella: hengeres vagy hasáb alakú, csak tengely irányú húzó vagy nyomó terhelés felvételére alkalmas cella.
• S-cella: S-alakú állított hasáb, a húzó-nyomó cellák egyik változata.
• Erőmérő gyűrű: alátét alakú erőmérő cella.

Csapcella

Gyakori hibák

• Fizikai rögzítés: a cellákat minden esetben megfelelően rögzíteni kell. Az összes terhelésnek tisztán a cellán (vagy cellákon) kell nyugodnia; a súrlódás eltolódást vagy hiszterézist okozhat. A nem megfelelő rögzítést azt eredményezheti, hogy a mért eredmény a felhasználónak valósnak tűnhet, miközben jelentős mérési hibát okozhat.
• Túlterhelés: a cellatest a normál mérési tartományán belül rugalmas alakváltozást szenved, majd tehermentesítés után visszanyeri eredeti állapotát. Ha a cellát a normál mérési tartományán túl terhelik meg, akkor maradandó alakváltozás következik be, nullpont eltolódást eredményezhet, továbbá megnőhet a linearitási hibája, hiszterézise; a kalibrálása megnehezül vagy lehetetlenné válik. Szélsőséges esetben a cellatest eltörhet.
• Vezetékezési problémák: nem megfelelő vezetékezés esetén, pl. korrózió vagy a vezetékek közé jutó szennyeződés és nedvesség hatására jelentősen változhat az ellenállás, ami hibás méréshez vezethet.
• Elektromos rongálódás: a cellát könnyen tönkreteheti indukált vagy kóboráram. A villámlás okozta nagy áram bejuthat a cellába, és teljesen tönkreteheti a nyúlásmérő bélyegeket. Ehhez hasonlóan a nem megfelelő bekötés miatti áramsokktól is megsérülhet a bélyeg szigetelése. A cella közelében végzett hegesztéseknél is körültekintőnek kell lenni, a cellát ki kell kötni és az összes pint / kábel eret a lehető legközelebb le kell földelni.
• Nemlinearitás: a legtöbb cella nem tökéletesen lineáris karakterisztikával rendelkezik. Ezt a nemlinearitást akkor kell mindenképpen figyelembe venni, ha széles méréstartományban használjuk a cellát, vagy jóval nagyobb méréstartományú cellát kell használnunk a dinamikus vagy sokkszerű terhelések miatt. A nemlinearitás miatti pontosság csökkenés javítható, ha több ponton kalibráljuk az erőmérő cellát és ilyen módon adjuk meg a mérőerősítőnek vagy mérésadatgyűjtőnek a skálázást.

Hídgerjesztés és névleges kimenet

A nyúlásmérő bélyeges mérlegcellának és erőmérő cellának tápfeszültségre van szüksége, amit a nyúlásmérő bélyeghez hasonlóan hídgerjesztésnek is hívnak. Ez általában 10 V, de gyakorlatilag 0 és 20 V között lehetséges, az adott cella specifikációjának megfelelően. A kimeneti jel - a terhelésen kívül - arányos hídgerjesztéssel is. A cellák névleges kimenetét feszültségarányban szokás megadni, mV/V mértékegységgel, mely a névleges terhelésre vonatkozik. Ha például a cella méréstartománya 100 N és a névleges kimenete 2 mV/V, akkor 1 V tápfeszültség és 100 N terhelés mellett 2 mV-ot mérünk; ugyanakkor 10 V tápfeszültség mellett 20 mV-ot. Ez arra sarkallhat minket, hogy nagyobb tápfeszültséget használjunk, de ez egy határon túl nem lehetséges, ugyanis a nyúlásmérő bélyeg túl nagy feszültség hatására felmelegszik, ami meghamisítja a mérésünket.

A tipikus névleges kimeneti jel 1 és 3 mV/V közötti. A tipikus maximális hídgerjesztés 15 V.

Wiring

The full-bridge cells come typically in four-wire configuration. The wires to the top and bottom end of the bridge are the excitation (often labelled E+ and E−, or Ex+ and Ex−), the wires to its sides are the signal (labelled S+ and S−). Ideally, the voltage difference between S+ and S− is zero under zero load, and grows proportionally to the load cell's mechanical load.

Sometimes a six-wire configuration is used. The two additional wires are "sense" (Sen+ and Sen−), and are connected to the bridge with the Ex+ and Ex- wires, in a fashion similar to four-terminal sensing. With these additional signals, the controller can compensate for the change in wire resistance due to e.g. temperature fluctuations.

The individual resistors on the bridge usually have resistance of 350 Ω. Sometimes other values (typically 120 Ω, 1,000 Ω) can be encountered.

The bridge is typically electrically insulated from the substrate. The sensing elements are in close proximity and in good mutual thermal contact, to avoid differential signals caused by temperature differences.

Using multiple cells

One or more load cells can be used for sensing a single load.

If the force can be concentrated to a single point (small scale sensing, ropes, tensile loads, point loads), a single cell can be used. For long beams, two cells at the end are used. Vertical cylinders can be measured at three points, rectangular objects usually require four sensors. More sensors are used for large containers or platforms, or very high loads.

If the loads are guaranteed to be symmetrical, some of the load cells can be substituted with pivots. This saves the cost of the load cell but can significantly decrease accuracy.

Load cells can be connected in parallel; in that case, all the corresponding signals are connected together (Ex+ to Ex+, S+ to S+, ...), and the resulting signal is the average of the signals from all the sensing elements. This is often used in e.g. personal scales, or other multipoint weight sensors.

The most common color assignment is red for Ex+, black for Ex−, green for S+, and white for S−.

Less common assignments are red for Ex+, white for Ex−, green for S+, and blue for S−, or red for Ex+, blue for Ex−, green for S+, and yellow for S−. Other values are also possible, e.g. red for Ex+, green for Ex−, yellow for S+ and blue for S−.

Piezoelectric load cell

Piezoelectric load cells work on the same principle of deformation as the strain gauge load cells, but a voltage output is generated by the basic piezoelectric material - proportional to the deformation of load cell. Useful for dynamic/frequent measurements of force. Most applications for piezo-based load cells are in the dynamic loading conditions, where strain gauge load cells can fail with high dynamic loading cycles. It must be remembered that the piezoelectric effect is dynamic, that is, the electrical output of a gauge is an impulse function and is not static. The voltage output is only useful when the strain is changing and does not measure static values.

However, depending on conditioning system used, "quasi static" operation can be done. Using a so-called "Charge amplifier " with "Long" time constant allow accurate measurement lasting many hours for large loads to many minutes for small loads. Another advantage of Piezoelectric load cell, conditioned with a Charge amplifier, is the wide measuring range that can be achieved. Users can choose a load cell with a range of hundred of kN and use it for measuring few N of forces with the same Signal/Noise ratio, again this is possible only with the use of a "Charge amplifier" conditioning.

Ringing

Every load cell is subject to "ringing" when subjected to abrupt load changes. This stems from the spring-like behavior of load cells. In order to measure the loads, they have to deform. As such, a load cell of finite stiffness must have spring-like behavior, exhibiting vibrations at its natural frequency. An oscillating data pattern can be the result of ringing. Ringing can be suppressed in a limited fashion by passive means. Alternatively, a control system can use an actuator to actively damp out the ringing of a load cell. This method offers better performance at a cost of significant increase in complexity.

Uses

Load cells are used in several types of measuring instruments such as laboratory balances, industrial scales, platform scales and universal testing machines. From 1993 the British Antarctic Survey installed load cells in glass fibre nests to weigh albatross chicks. Load cells are used in a wide variety of items such as the seven-post shaker which is often used to set up race cars.

Load Cells weighing performances

Load cells are very commonly used to weight in industrial environment. They can be installed on hoppers, reactors...etc... and allow to control the weight in the capacity, which is often of critical importance for an industrial process. Some performance characteristics of the load cells must be defined and specified to make sure they will cope with the expected service. Among those design characteristics are :

• Combined error
• Minimum verification interval
• Resolution

References

Standards

• ASTM E4 - Practices for Force Verification of Testing Machines
• ASTM E74 - Practice for Calibration of Force Measuring Instruments for Verifying the Force Indication of Testing Machines
• NTEP - National Conference on Weights and Measures (Certificate of Conformance)