بسیاری از افراد عادت دارند صبحها روی ترازو قدم بگذارند تا وزن خود را بررسی کنند. آنچه بیشتر مردم نمیدانند این است که آنها از یک لودسل بسیار ساده برای اندازهگیری وزن خود استفاده میکنند.
ترازوهای قدیمی از وزنهها استفاده میکردند تا دو طرف ترازو را به تعادل برسانند؛ اما اکنون روشهایی داریم که وزن را بهطور خودکار اندازهگیری میکنند.
لودسل چیست و چگونه کار میکند؟ در این مقاله قصد داریم انواع مختلف لودسل، نحوه عملکرد آن و کاربردهایش در صنایع مختلف را بررسی کنیم. اگر علاقهمندید با جزئیات این حسگر کاربردی آشنا شوید، در ادامه با مجله لاجیک صنعت همراه باشید.
لودسل چیست؟
اولین چیزی که باید درباره یک لودسل بدانیم، تعریف آن است و این که دقیقا با چه چیزی سروکار داریم.
لودسل نوعی مبدل است که انرژی را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل میکند. معمولاً در کاربردهای صنعتی برای اندازهگیری و نظارت بر نیروها استفاده میشود. لودسلها بهطور خاص طراحی شدهاند تا انرژی جنبشی یک نیرو مانند کشش، فشار، فشردگی یا گشتاور را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازهگیری تبدیل کنند.
رایجترین نوع لودسل در کاربردهای صنعتی، لودسل استرین گیج (strain Gauge) است که دقیق و مقرونبهصرفه میباشد. یک لودسل استرین گیج (که به آن کرنش سنج هم گفته میشود) از یک بدنه فلزی سخت یا “عنصر فنری” تشکیل شده است که استرین گیجها بهطور محکم به آن متصل شدهاند. بدنه معمولاً از موادی مانند آلومینیوم، فولاد آلیاژی یا فولاد ضدزنگ ساخته میشود که دوام بالا و کمترین خاصیت ارتجاعی را فراهم میکنند. بدنه ممکن است کمی تغییر شکل دهد، اما تا زمانی که بار وارده بیش از حد نباشد، به حالت اولیه بازمیگردد. با این حال، اگر بار بیش از اندازه باشد، احتمال شکستگی وجود دارد. این تغییر شکل باعث تغییر در مقاومت الکتریکی استرین گیج میشود که میتوان آن را بهصورت تغییر ولتاژ اندازهگیری کرد. از آنجا که این تغییر در خروجی متناسب با مقدار وزنی است که اعمال شده است، وزن جسم از تغییر ولتاژ بهدست میآید. با اندازهگیری تغییر ولتاژ خروجی، وزن یا نیروی وارد شده به لودسل بهطور دقیق تعیین میشود. این ویژگی، لودسلهای استرین گیج را به ابزاری مؤثر برای اندازهگیری و نظارت بر وزنها و نیروها در کاربردهای مختلف صنعتی تبدیل میکند.
مطلب مرتبط: معرفی انواع برندهای لودسل در بازار ایران
تاریخچه و تکامل لودسل
قبل از اختراع لودسلهای مبتنی بر استرین گیج، ترازوهای اهرمی مکانیکی در اندازهگیری وزن کاربرد گستردهای داشتند. این ترازوها توانایی وزن کردن اقلام مختلفی مانند قرص، واگنهای راهآهن و سایر اشیاء را داشتند و تا زمانی که به درستی نگهداری و کالیبره میشدند، میتوانستند وزن را با دقت مناسبی اندازهگیری کنند. این دستگاهها معمولاً از مکانیزمهای متعادلکننده وزن یا اهرمهای مکانیکی برای تشخیص نیرو استفاده میکردند.
در سال 1843، سر چارلز وتستون، فیزیکدان انگلیسی، مدار پل را اختراع کرد که به اندازهگیری دقیق مقاومتهای الکتریکی کمک میکرد. این مدار بهویژه برای اندازهگیری تغییرات مقاومتی در کرنشسنجها مناسب بود. اگرچه اولین کرنشسنجها در دهه 1840 ساخته شدند، اما تنها با پیشرفتهای مهندسی برق در دهههای اخیر، این فناوری از نظر اقتصادی و فنی بهصرفه و قابل استفاده شد. از آن زمان، کرنشسنجها بهطور گسترده در لودسلهای مستقل و نیز در اجزای مقیاسهای مکانیکی به کار رفتهاند.
اصول کار لودسل چیست ؟
تا اینجا فهمیدیم لودسل چیست، حالا بیایید با نحوه عملکرد آن آشنا شویم. برای پاسخ به این سوال که «اصول کار لودسل چیست ؟» ابتدا باید به این سوال بپردازیم که «اصول کار استرین گیج چیست ؟».
استرین گیج یک دستگاه است که با اندازهگیری تغییرات مقاومت الکتریکی تحت تاثیر نیرو عمل میکند. یک استرین گیج معمولی از سیم بسیار نازک یا فویل تشکیل شده است که به صورت یک شبکه منظم چیده شده و به گونهای طراحی شده که هنگام اعمال نیرو در یک محور، تغییرات خطی در مقاومت ایجاد میکند.
اغلب استرین گیجها برای افزایش دقت، به صورت همزمان با چند استرین گیج دیگر به کار گرفته میشوند. یک استرین گیج فعال را ربعپل (Quarter-bridge) مینامند، دو استرین گیج فعال نیمپل (Half-bridge) و چهار استرین گیج فعال پل کامل (Full-bridge) نامیده میشوند.
تغییرات مقاومت در استرین گیج بسته به نوع نیروی وارد شده (کشش یا فشار) متفاوت است. نیروی کششی باعث میشود استرین گیج نازکتر و بلندتر شود و در نتیجه مقاومت افزایش مییابد. نیروی فشاری برعکس عمل میکند و باعث میشود استرین گیج ضخیمتر و کوتاهتر شده و مقاومت کاهش یابد. استرین گیج بر روی یک لایه نازک (حامل یا Carrier) چسبانده شده است که این حامل به طور مستقیم به لودسل متصل میشود و به این ترتیب نیروی لودسل به استرین گیج منتقل میشود.
تغییر مقاومت اندازهگیریشده توسط یک استرین گیج بسیار کم است و حدوداً برابر با 0.12 اهم میباشد. حساسیت یک لودسل با افزایش تعداد استرین گیجهای بهکار رفته، افزایش مییابد. روشی مناسب برای تبدیل این تغییرات کوچک به مقادیر قابلاندازهگیری، اتصال آنها به صورت پل وتستون (Wheatstone Bridge) است.
در مدار پل وتستون، استرین گیجها در یک چیدمان متقارن قرار میگیرند تا تغییرات کوچک مقاومت، به تغییرات ولتاژ تبدیل شوند که بهراحتی قابل اندازهگیری هستند.
لودسلهای مبتنی بر پل وتستون
مدار لودسل که به مدار پل وتستون نیز معروف است، به گونهای طراحی شده که شامل چهار کرنشسنج داخلی به نامهای A، B، C و D است که در تصویر پایین نشان داده شده است.
در این مدار، ولتاژ ورودی که توسط یک تهویهکننده سیگنال یا نمایشگر دیجیتال تأمین میشود، به دو گوشه مخالف پل (یعنی C و D) متصل میشود. در حالی که ولتاژ خروجی از طریق اتصال مقاومتهای A و B به سیگنال نمایشگر دیجیتال اندازهگیری میشود.
هنگامی که هیچ باری بر لودسل اعمال نمیشود (Load = 0)، مدار در حالت متعادل قرار دارد. با اعمال بار، مقاومتهای استرینگیج تغییر میکنند و این تغییرات باعث تغییر در جریان ولتاژ مدار میشود.
در نتیجه، ولتاژ در نقاط A و B تغییر کرده و این تغییرات به صورت وزن در واحدهای قابل نمایش بر روی نمایشگر دیجیتال نشان داده میشود.
خروجی مدار پل وتستون یا لودسل، دادههای آنالوگ است که با استفاده از یک تفسیرکننده به واحدهای قابل خواندن تبدیل میشود.
تفاوت بین لودسل و استرین گیج
این سوال یکی از سوالات رایجی است که بسیاری از افراد از ما میپرسند. چون هر دو حسگر به طور پیچیدهای با یکدیگر در ارتباط هستند، گاهی افراد نمیتوانند تفاوت بین آنها را تشخیص دهند. واضحترین تفاوت این است که یک کرنشسنج (استرین گیج) یک عنصر مقاومتی منفرد است، در حالی که یک لودسل از مجموعهای از چهار کرنشسنج تشکیل شده که بهصورت پل وتستون آرایش یافتهاند، همانطور که پیشتر ذکر شد.
همچنین، برای استفاده از لودسل نیاز به اعمال ولتاژ به گرههای مخالف است، در حالی که در کرنشسنج، باید دو یا چند کرنشسنج را بهطور متوالی یا موازی قرار دهید تا بتوانند نیروهای مخالف را تجربه کنند.
انواع لودسل
لودسل انواع مختلفی دارد که از جملهی آنها میتوان به لودسل تک پایه، لودسل فشاری، لودسل کششی و لودسل خمشی اشاره کرد. جالب است بدانید که پر کاربردترین نوع لودسل، لودسل تک پایه است.
در ادامه هر یک از این انواع لودسل ها را به شما معرفی خواهیم کرد.
خرید انواع لودسل با قیمت مناسب در فروشگاه لاجیک صنعت
لودسل تک پایه (Single Point Load Cell)
یکی از انواع لودسل، لودسلهای تک پایه است که به عنوان لودسلهای پلتفرم (Platform) نیز شناخته میشوند، برای مواقعی که نمیتوان اطمینان حاصل کرد که بار در مرکز قرار دارد، ایدهآل هستند.
این لودسلها دارای یک برش در وسط بدنه مکانیکی خود هستند که معمولاً شکل دوچشمی دارد. برش با استفاده از ماشینکاری ایجاد میشود و در حین راهاندازی بهگونهای تنظیم میشود که به سنسور ویژگیهای یک چهارضلعی متقارن و مفصل مانند (Articulated) را بدهد.
این ویژگی به لودسلهای تک پایه اجازه میدهد که از پیچشهای ناشی از عدم تمرکز بار چشمپوشی کرده و خواندن صحیح وزن را در محدوده کاری خود تضمین کنند.
بنابراین، لودسلهای تک پایه میتوانند نیروی وزنی واردشده در هر نقطه از یک سطح مشخص را (در محدوده یک ناحیه حداکثر تعیینشده) بهطور دقیق اندازهگیری کنند. این اطلاعات در برگه مشخصات فنی آورده شده است.
لودسل فشاری (Compression Load Cell)
لودسلهای فشاری یا سیلندری با اندازهگیری نیروی عمودی واردشده، قابلیت سنجش نیرو را دارند. این لودسلها که بهصورت قوطی طراحی شدهاند، اغلب در باسکولها به کار میروند. لودسلهای فشاری معمولا برای اندازهگیری وزنهای سنگین، مانند مخازن بزرگ یا بارهایی با ظرفیت تا 500 تن، مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال، در برخی موارد، لودسلهای فشاری با ظرفیت کمتر، مانند 1 تن، بهکار گرفته میشوند که علت آن میتواند محدودیتهای طراحی مکانیکی سیستم یا نیاز به دقت بالای اندازهگیری باشد.
لودسل خمشی (Shear Beam Load Cell)
لودسلهای خمشی سادهترین نوع لودسل هستند و بر اساس اصل تغییر شکل سطحی کار میکنند: بخشی از لودسل دارای مقطع کمتری است (از طریق سوراخهای دایرهای یا مربعی) که هنگام وارد شدن بار، تغییر شکل داده و خم میشود.
قسمت ضعیف همیشه با پوششهای جوشخوردهای محافظت میشود که گاهی شکل آکاردئونی را دارند؛ در این صورت، لودسل به عنوان لودسل آکاردئونی نیز شناخته میشود.
مطلب مرتبط: لودسل خمشی چیست؟
لودسل کششی (Tension Load cell)
زمانی که بارهای مورد اندازهگیری باید معلق باشند، از لودسلهای کششی استفاده میشود. این لودسلها بسته به ظرفیت خود، لودسلهای خاص برش یا تیرک خمشی هستند.
این لودسلها با داشتن گزینههای متنوع، قابلیت نصب بر روی تمامی سیستمهای اندازهگیری نیروی کششی را دارند و میتوانند از طریق بستهای رزوهای یا با استفاده از حلقههای بالابر و اشکال کلاسیک نصب شوند.
مطلب مرتبط: چطور لودسل را به درستی نصب و راه اندازی کنیم؟
کاربردهای لودسل در صنعت
در خصوص اینکه کاربرد لودسل چیست و در کجا استفاده میشود میتوان گفت لودسلها ابزارهایی هستند که برای اندازهگیری مقادیر فیزیکی یا جرم به کار میروند و توانایی تبدیل نیرو یا انرژی به دیگر اشکال مانند نیرو، نور، گشتاور یا حرکت را دارند. این دستگاهها در تستهای مکانیکی، نظارت بر سیستمها و به عنوان اجزای کلیدی در مقیاسهای صنعتی استفاده میشوند. از جمله کاربردهای رایج لودسل میتوان به ترازوهای خانگی و دستگاههای اندازهگیری در صنایع سنگین اشاره کرد.
صنایعی که از لودسل استفاده میکنند شامل:
1- اتوماسیون صنعتی: برای وزن نیرو در دستگاههای تست، بچینگ، توزین در حال حرکت
2- پردازش مواد غذایی: اندازهگیری دقیق مواد اولیه و توزیع مناسب محصولات در طول فرآیند بستهبندی.
3- انبارداری صنعتی: تعیین وزن دقیق پالتهای بارگیری شده که برای فرآیند پرکردن و پذیرش سفارشات بسیار حیاتی است.
4- ساختمان و ساختوساز: آزمایش مصالح ساختمانی مانند تیرها برای ارزیابی کشش و استحکام سازهها.
5- حمل و نقل: استفاده در ترازوهای کامیون و راهآهن برای اندازهگیری وزن بار.
6- آزمایشگاههای تحقیقاتی و تولید دارو: کاربرد در تجهیزات توزین، سیستمهای کالیبراسیون و آزمایشهای خستگی.
لودسلها همچنین در سیستمهای امنیتی، ترازوهای الکترونیکی، ترازوهای شخصی، دماسنجها، تجهیزات دفاعی، سنجش فشار در زیردریاییها و آزمایش مواد نیز استفاده میشوند.
کاربرد لودسل در سیستمهای توزین
لودسلها در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارند. برخی از مهمترین کاربردهای آنها عبارتند از:
- اتوماسیون بچینگ مانند اتوماسیون بچینگ بتن، اتوماسیون بچینگ آسفالت
- دستگاه کیسه پرکن مانند دستگاه کیسه پرکن جامبوبگ، دستگاه کیسه پرکن گرانولی و دستگاه کیسه پرکن پودری
- اتوماسیون کارخانه سیمان
- دستگاه چک ویر
- دستگاه سورتینگ
مانتینگ لودسل چیست؟
مانتینگ به معنای پایه و نگهدارنده لودسل است که معمولا از طرف شرکتهای سازنده لودسل ارائه میشود. مانتینگها وظیفه دارند که نیروهای جانبی و شوکهای وارد بر لودسل را دمپ و نیرو را در جهت صحیح عمودی به لودسل وارد کنند. نحوه انتخاب مانتینگ بستگی به نوع لودسل استفاده شده دارد. مانتینگها انواع مختلفی دارند که در شکل زیر یک نمونه از مانتینگهای فشاری را ملاحظه میکنید.
جمع بندی
در این مقاله توضیح دادیم که لودسل چیست و شما را با انواع مختلف آن آشنا کردیم و اهمیت این ابزار در صنایع گوناگون را بررسی کردیم. لودسلها بهعنوان حسگرهای دقیق برای اندازهگیری نیرو و وزن، نقش اساسی در فرآیندهای صنعتی دارند. با فهم اصول عملکرد و کاربردهای متنوع لودسلها، در قسمت دوم این مقاله به بررسی دقیقتر نحوه نصب، نگهداری و عیبیابی این دستگاهها خواهیم پرداخت. همچنین، انتخاب مناسبترین نوع لودسل برای کاربردهای خاص را مورد توجه قرار میدهیم.
با این اطلاعات، میتوانید شناخت بهتری از لودسلها داشته باشید و از آنها به بهترین شکل در صنایع مختلف استفاده کنید.
اگر پس از مطالعه این مقاله این سوال برایتان پیش آمده که چگونه یک لودسل را به درستی نصب کنیم تا از دقت اندازهگیری آن مطمئن شویم و آیا روش نصب همه لودسلها مشابه است، پیشنهاد میکنیم مقاله دوم را مطالعه کنید.
:References
1- Load Cells: Types, How It Works, Applications, & Advantages
2- What is a Load Cell?
3- The main types of load cells
4- How Does a Strain Gauge Work?
یک پاسخ
عالی من تولید کننده دستگاه پدالی پیوند نیمانیم نهال گردو هستم و با استفاده از لودسل میخواستم مقدار فشاری که با پا به پدال میارم رو اندازه گیری کنم . این مقدار رو در فرمول قرار بدم تا فشار پدال رو با کمترین فشار چند برابر کنم … تشکر