1. ابزار اندازه گیری و کنترل
دانشگاه کردستان
دانشکده کشاورزی
گروه مهندسی بیوسیستم
ابزار اندازه گیری و کنترل
Instrumentation and Control
فصل ششم:
اندازه گیری نیرو، گشتاور و فشار
مدرس:
دکتر کاوه ملازاده

2. مقدمه
مبدل هايی که نيرو، گشتاور يا فشار را اندازه مي گيرند، معمولا حاوی عضوی الاستيک هستند که کميت مکانيکی مورد نظر را به يک انحراف يا کرنش تبديل مي کند. با استفاده از يک حسگر انحرافی (تغيير شکل) و يا مجموعه ای از کرنش سنج ها مي توان سيگنال الکتريکی متناسب با کميت های فوق (نيرو، گشتاور و فشار) را توليد کرد.
مبدل های تجاری متعدد و فراوانی برای اندازه گیری نیرو (سلول نیرو)، گشتاور (سلول گشتاور) و فشار وجود دارند. اعضای ارتجاعی مختلفی نظیر میله ها، ستون ها، حلقه ها، تیرها و استوانه ها، واشرها، دیافراگم ها، بال های برشی و بسیاری شکل های دیگر برای کاربردهای خاص، در طراحی این مبدل ها استفاده شده اند. 1

3. اندازه گیری نیرو (سلول های نیرو (Load Cells))
سلول نیروی تیری
Beam type load cell
سلول نیروی میله ای
Rod type load cell
سلول نیروی بال برشی
Shear web type load cell
سلول نیروی حلقه ای
Ring type load cell 2

4. مدول الاستیسیته ماده میله
سلول نیروی میله ای (Rod type load cell) P P
نیرو (کششی یا فشاری)
εa=P/AE εt
کرنش محوری
مساحت سطح
مقطع میله
مدول الاستیسیته ماده میله εa
εt=-νP/AE
نسبت پوآسون ماده میله
کرنش عرضی P P 3

5. سلول نیروی میله ای (Rod type load cell)
(1)
(1)
حساسیت سلول نیرو 4

6. سلول نیروی تیری (Beam type load cell)
سلول های نيروی نوع تيری عموما در جاهايی استفاده مي شوند که مقدار نيرو کم است به طوری که نوع ميله ای برای اثرپذيری خيلی سخت است.
(1)
(1)
حساسیت سلول نیرو 5

7. سلول نیروی حلقه ای (Ring type load cell)
در اين نوع سلول نیرو از يک حلقه ارتجاعی استفاده مي شود. المان حلقوی مي تواند طوری طراحی شود که با تغيير شعاع (R)، ضخامت (t) يا عمق (w)، محدوده وسيعی از بارگذاری ها را جهت اندازه گيری پوشش دهد. به عنوان حسگر مي توان از کرنش سنج و يا از يک LVDT استفاده کرد. 6

8. سلول نیروی حلقه ای با کرنش سنج
(1)
(1)
حساسیت سلول نیرو 7

9. سلول نیروی حلقه ای با LVDT
نیرو (کشش یا فشار)
شعاع حلقه
جابجایی
(کشیدگی یا فشردگی)
ضخامت حلقه
مدول الاستیسیته ماده حلقه
عمق (پهنا) حلقه
حساسیت LVDT
vo= Sδvs
ولتاژ خروجی
LVDT
ولتاژ اعمالی به حلقه اولیه LVDT
حساسیت سلول نیرو 8

10. سلول نیروی بال برشی (Shear web type load cell)
این سلول نیرو، که به سلول نیروی تخت یا مقطع طولی کم نیز معروف است، در جاهایی که فضای کافی در امتداد نقطه اثر نیرو وجود ندارد، کاربرد دارد. 9

11. ممان اینرسی قطبی مقطع میله
اندازه گیری گشتاور پیچشی (سلول های گشتاور پیچشی (Torsional Torque Cells))
سلول های گشتاور پیچشی، مبدل هایی هستند که گشتاور پیچشی اعمالی را به سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می کنند.
گشتاور پیچشی اعمالی
قطر میله
تنش برشی در میله
ممان اینرسی قطبی مقطع میله 10

12. سلول های گشتاور پیچشی (Torsional Torque Cells))
در حالت پیچش خالص داریم:
ζxy
x = y = z = 0 σ2 σ1
(1)
(1)
(2)
(2)
حساسیت سلول گشتاور 11

13. اندازه گیری گشتاور پیچشی بر روی محورهای دوار
انتقال سیگنال با حلقه های لغزشی (سرشی) 12

14. اندازه گیری گشتاور پیچشی بر روی محورهای دوار
انتقال سیگنال از طریق تله متری 13

15. اندازه گیری همزمان نیرو – گشتاور خمشی14

16. اندازه گیری همزمان نیرو – گشتاور خمشی
بار محوری PZ
گشتاور خمشی Mx
گشتاور خمشی My 15

17. اندازه گیری همزمان نیرو – گشتاور پیچشی16

18. اندازه گیری همزمان نیرو – گشتاور پیچشی
بار محوری PZ
گشتاور پیچشی Mz 17

19. اندازه گیری فشار (سلول فشار (Pressure Cell))
مبدل های فشار وسایلی هستند که فشار اعمالی از طریق اندازه گیری یک جابجایی، کرنش یا پاسخ یک عنصر پیزو به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند.
شرایط دینامیکی
شرایط شبه استاتیکی
مبدل فشار جابجایی
مبدل فشار
پیزوالکتریک
مبدل فشار دیافراگمی 18

20. مبدل فشار جابجایی (Displacement type pressure transducer)
در صورتیکه جابجایی لوله ی بوردن کوچک باشد، ولتاژ خروجی تابعی خطی از فشار خواهد بود.
مبدل فشار جابجایی به علت جرم های لوله، سیال داخل لوله و نیز جرم هسته، پاسخ فرکانسی را تا 10 هرتز محدود می کند، بنابراین برای اندازه گیری فشار در شرایط دینامیکی مناسب نیست. 19

21. مبدل فشار دیافراگمی (Diaphragm type pressure transducer)
کرنش سنج های محیطی
کرنش سنج های شعاعی
ضریب پوآسون ماده دیافراگم
شعاع خارجی دیافراگم
فاصله شعاعی از مرکز دیافراگم
فشار سیال روی دیافراگم
کرنش محیطی
مدول الاستیسیته ماده دیافراگم
ضخامت دیافراگم
کرنش شعاعی 20

22. مبدل فشار پیزوالکتریک (Piezoelectric type pressure transducer)
مبدل فشار پیزوالکتریک از یک کریستال پیزوالکتریک، هم به عنوان عضو ارتجاعی و هم به عنوان حسگر استفاده می کند. 21