Küçük bir esnemeden ölçülebilir elektrik sinyaline

Strain gauge, bir yüzeydeki çok küçük mekanik gerinimi elektriksel direnç değişimiyle algılayan elemandır. Türkçede gerinim ölçer veya gerinim pulu denir. Tek başına kilogram, newton veya bar ölçmez; bağlı olduğu parçanın uzamasını ve kısalmasını izler. Kuvvet, ağırlık, basınç veya tork değerine ulaşmak için mekanik yapı, ölçüm elektroniği ve kalibrasyon birlikte değerlendirilir.

Bu teknoloji yük hücrelerinde, bazı basınç sensörlerinde, tork transdüserlerinde ve yapısal testlerde kullanılır. Aynı algılama prensibi farklı cihazlarda bulunabilir; fakat sensörün mekanik tasarımı ve ölçüm aralığı değişir.

Direnç neden değişir?

Yaygın metal folyo tipinde, ince bir direnç ızgarası yalıtkan taşıyıcı üzerindedir. Taşıyıcı ölçüm yüzeyine yapıştırılır; böylece yüzeyin şekil değişimi ızgaraya aktarılır. Uzama, iletkenin boyunu ve kesitini değiştirir; malzemenin özdirencindeki değişim de sonuca katkıda bulunabilir. Pozitif gauge factor değerli metalik elemanlarda çekme genellikle direnci artırır, basma azaltır.

Gerinim, boy değişiminin başlangıç boyuna oranıdır: ε = ΔL / L. Boyutsuzdur; küçük değerler microstrain (µε) ile yazılır. 1 µε = 10⁻⁶. Örneğin 100 mm uzunluk 0,05 mm uzarsa gerinim 0,0005, yani 500 µε olur.

Gauge factor ve küçük sinyalin büyüklüğü

Gauge factor (GF), bağıl direnç değişiminin gerinime oranıdır: GF = (ΔR / R) / ε. Metal folyo elemanlarda yaklaşık 2 sık görülür; hesapta üreticinin verdiği gerçek değer kullanılmalıdır. GF = 2, R = 350 Ω ve ε = 500 µε için ΔR = 0,35 Ω bulunur. Bu, nominal direncin yalnızca %0,1'idir.

Bu kadar küçük değişimin güvenilir ölçümü için Wheatstone köprüsü kullanılır. Köprünün dengesindeki değişim, besleme gerilimine bağlı küçük bir diferansiyel gerilim oluşturur. Köprü formüllerinde bağlantı düzeni ve çıkış uçlarının yönü önemlidir; tek bir katsayı bütün köprü türlerine uygulanamaz.

Çeyrek, yarım ve tam köprü farkı

Çeyrek köprüde temel düzen bir aktif gerinim ölçer ve köprüyü tamamlayan dirençlerdir. Sıcaklık telafisi için mekanik yük almayan ek bir eleman da kullanılabilir. Yarım köprüde iki, tam köprüde dört aktif eleman bulunabilir. Elemanların yönü ve köprü kollarındaki yerleşimi, çekme, eğilme veya burulmadan hangisinin ölçüleceğini belirler.

Uygun düzenlenmiş tam köprü sinyali artırabilir ve ortak sıcaklık etkilerini azaltabilir. Ancak dört eleman bağlamak tek başına doğru ölçüm veya tam sıcaklık telafisi sağlamaz; mekanik yerleşim ve elemanların maruz kaldığı koşullar da uyumlu olmalıdır.

Yük hücresinde ağırlığa nasıl dönüşür?

Bir strain gauge yük hücresinde ölçerler, kontrollü biçimde esneyen metal gövdeye yerleştirilir. Yük gövdeyi gerer; ölçerler bu gerinimi köprü çıkışına taşır. Yük hücresinin çalışma prensibinde mekanik gövde, sensör ve elektronik birlikte görev yapar. Ağırlık ölçümünde gösterilen kütle değeri, uygun kalibrasyonla bu sinyalden elde edilir.

mV/V, köprü çıkışının uyarma gerilimine oranını ifade eder. Nominal çıkışı 2 mV/V olan bir yük hücresi, izin verilen 10 V uyarma ile nominal yükte, sıfır çıkışına göre yaklaşık 20 mV sinyal değişimi verir. Bu ham köprü çıkışıdır; 0–10 V çıkışla aynı değildir. Farklı mekanik ihtiyaçlar için yük hücresi çeşitleri ve uygun ağırlık kontrol cihazları birlikte seçilir.

Basınç ve tork ölçümündeki rolü

Basınç uygulanan diyafram çok az esner; üzerindeki veya yapısına entegre direnç elemanları bu değişimi algılar. Basınç transmitteri, sinyali işler ve modele göre standart çıkışa dönüştürür. Bir fark basınç sensöründe iki taraftaki basınç farkı ölçüm elemanını yükleyebilir. Bütün basınç sensörleri aynı teknolojiyle çalışmaz; mekanik manometrelerin çalışma biçimi de farklıdır.

Tork ölçümünde milin burulma gerinimi kullanılır. Ölçerler uygun açılarla yerleştirilir; dönen milden sinyal alınması için ayrıca uygun aktarım düzeni gerekir. Pres, şasi, tank ve taşıyıcı yapılarda ise yerel gerinim ölçülerek yük dağılımı ve tasarım davranışı incelenebilir.

Tipler, rozetler ve nominal direnç

Metal folyo yaygın tiptir; tel tipi özel uygulamalarda görülebilir. Yarı iletken gerinim ölçerler güçlü piezorezistif etkiden yararlanabilir. Piezorezistif direnç değişimini anlatır; piezoelektrik ise mekanik etkiyle elektrik yükü oluşmasına dayanır. İki terim birbirinin yerine kullanılmaz.

Gerinim rozetleri, aynı bölgede farklı yönleri ölçen birden fazla ızgara içerir. Böylece tek yöndeki ölçümün yetersiz kaldığı durumlar değerlendirilebilir. 120 Ω, 350 Ω ve 1000 Ω yaygın nominal dirençlerdir. Seçimde dirençle birlikte ızgara boyu, yüzey malzemesi, sıcaklık aralığı, yapıştırıcı ve ölçüm modülü uyumu değerlendirilmelidir.

Sıcaklık ve montaj neden sonucu değiştirir?

Sıcaklık değişimi, hem ölçerin direncini hem yüzeyin genleşmesini etkiler. Yüzey malzemesine uygun sıcaklık kompanzasyonu, doğru köprü düzeni ve kablo bağlantısı hatayı azaltır. Çeyrek köprüde uygun üç telli bağlantı, kablo direncinin etkisini azaltabilir. Uyarma gerilimini gereksiz yükseltmek ise kendi kendine ısınma ve sıfır kaymasına neden olabilir.

Yüzey hazırlığı, ölçerin yönü, yapıştırıcının kürlenmesi, kablonun mekanik sabitlenmesi ve nemden korunma ölçümün parçasıdır. Yapıştırma kusuru gerinimin ölçere aktarılmasını bozar. Sıfırlama, kötü montajı düzeltmez. Doğru ölçüm için sıfır ayarıyla birlikte uygun referans yük veya gerinimle kalibrasyon gerekir.

PLC bağlantısı ve sahada seçim

Ham köprü çıkışı çoğu standart PLC analog girişine doğrudan uygun değildir. Genellikle köprü yükselteci, tartım transmitteri veya özel gerinim ölçüm modülü gerekir. Köprü için tasarlanmış modüller, destekledikleri sensör ve bağlantı düzeninde doğrudan bağlantı sağlayabilir.

İşlenmiş değer, cihazın özelliğine göre 4–20 mA akım sinyali, 0–10 V gerilim sinyali veya sayısal veri olarak aktarılır. Bunlar ham mV çıkışından farklıdır; analog sinyal aralığı ve giriş türü eşleşmelidir. Seçimde köprü direnci, uyarma sınırı, mV/V değeri, ölçüm hızı ve filtreleme birlikte kontrol edilir. Küçük sinyal kabloları güç kablolarından ayrı döşenmeli; ekran bağlantısı cihazın talimatına göre yapılmalıdır.

İlgili ölçüm konuları

Yük hücresi / Wheatstone köprüsü / Basınç sensörü / Analog giriş