Przetwornik siły – czym jest i w jaki sposób działa?

Przetworniki siły, znane także jako czujniki tensometryczne lub po prostu tensometry to jedne z podstawowych urządzeń stosowanych do pomiaru sił ściskających, rozciągających oraz naprężenia. Ich działanie nie jest procesem skomplikowanym i bazuje na podstawowych prawach fizyki – jak sama nazwa wskazuje, urządzenia te służą do przetwarzania siły na energię elektryczną, umożliwiającą zbadanie wartości tej pierwszej. Tensometry są niezwykle powszechnym i szeroko stosowanym urządzeniem pomiarowym w różnych gałęziach przemysłu. Na czym polega ich działanie, jakie są warianty przetworników siły i gdzie stosuje się je najczęściej?

Jak  działa oporowy przetwornik siły?

Tensometry oporowe, stosowane powszechnie do pomiaru sił ściskających i rozciągających opierają swoje działanie na właściwościach fizycznych drutu metalowego, który zależnie od długości zmienia swoją rezystancję elektryczną. Przymocowany do elementu odkształcającego się pod wpływem działających sił, czujnik tensometryczny podlega identycznym odkształceniom i tym samym pokazuje zmiany oporu elektrycznego zależnie od przyłożonej siły. Do jego podstawowych zalet zalicza się wysoką czułość i dokładność, małe wymiary, odporność na drgania i wstrząsy oraz możliwość montażu na powierzchniach zakrzywionych.

Czujnik tensometryczny to oczywiście integralny element przetworników siły, dlatego też nazwy te stosuje się często zamiennie. Sposób, w jaki czujnik zostanie zamontowany w urządzeniu oraz kształt i ułożenie elementu oporowego mają ogromny wpływ na ostateczną dokładność i stabilność czujników, a tym samym końcową dokładność pomiarową. Generalnie wyróżnia się więc dziś trzy typy czujników: tensometry wężykowe, w których drut rezystancyjny został uformowany w kształcie wielokrotnego wężyka, tensometry kratowe, gdzie druciki zostały ułożone równolegle i połączone grubszymi odcinkami taśmy miedzianej, oraz tensometry foliowe, będące cieniutką siatką rezystancyjną w postaci wężykowej, będące jedną z najczęściej stosowanych obecnie technologii pomiaru sił.

Zmiana rezystancji zastosowanego w przetworniku drutu następuje w momencie jego odkształcenia, które jest w dużej mierze zależne od materiału, z jakiego został wykonany wspomniany drut oporowy. Na ostateczną dokładność pomiaru wpływają także wspomniany wcześniej sposób ułożenia drutu, podkładka czy rodzaj zastosowanego kleju. Ostatecznie więc wszystkie te elementy powinny być brane pod uwagę podczas wyboru przetwornika. Drugim, równie istotnym parametrem będzie maksymalna siła, z jaką można oddziaływać na konkretny czujnik.

Zastosowanie przetworników siły

Nowoczesne przetworniki siły stosuje się dziś przede wszystkim w szeroko rozumianej automatyce – tego typu czujniki są podstawowym elementem wag elektronicznych i urządzeń pomiarowych siły oraz wagi. Przetworniki tensometryczne są niezastąpione w przypadku kontrolowania sił naprężających i rozciągających, a także w przypadku konieczności pomiarów wagowych w warunkach magazynowych czy większych, niemożliwych do tradycyjnego zważenia kontenerów.

Cechą, która zdecydowanie wyróżnia przetworniki siły jest precyzja ich działania i czułość, jaką charakteryzują się podczas pomiarów siły i naprężenia. Jednocześnie są one odporne na drgania i wstrząsy, które mogłyby wspomniany pomiar zaburzyć, dzięki czemu pozwalają na uzyskiwanie bardzo precyzyjnych wyników bez względu na warunki pracy. Ciekawym elementem czujników tensometrycznych jest możliwość umieszczania ich na powierzchniach krzywych oraz ich niezwykła wytrzymałość na ekstremalne temperatury i naprężenia. Ostateczną zaletą przetworników siły są jednak ich niewielkie rozmiary, które pozwalają na zastosowanie tego typu urządzeń w bardzo różnorodnych środowiskach ^[1].

Przetwornik siły jako element wagi

Najważniejszym zastosowaniem przetworników siły jest dokonywanie pomiarów w przypadku sił rozciągających czy ściskających. Tensometry mogą być jednak z powodzeniem wykorzystywane, co zostało już wcześniej wspomniane, jako przetworniki wagowe stosowane do pomiarów masy. Najprostszym przykładem tego zastosowania są wagi łazienkowe, a także wszelkiego rodzaju wagi do pomiaru pojazdów. Doceniane przede wszystkim za swoją niezawodność i czułość, przetworniki siły sprawdzają się doskonale w wielu gałęziach przemysłu mocno uzależnionych od wagi poszczególnych elementów, masy przewożonych towarów czy wagowej pojemności poszczególnych kontenerów. Wybór odpowiedniego przetwornika powinien być uzależniony przede wszystkim od konkretnego zastosowania i dobrany pod kątem zakresu wartości pomiaru, jakie oferuje dany czujnik.

[1] Źródło: spais.pl