Yük Hücresi (Loadcell) Nedir? Nasıl çalışır? Çalışma prensibi nedir?

Yük hücresi bir kuvveti elektrik sinyali haline dönüştürmek için kullanılan dönüştürücüdür. Bu dönüşüm dolaylı ve iki aşamada olur. Mekanik bir düzenleme ile, algılanan kuvvet bir gerinim ölçerin şeklini değiştirir. Gerinim ölçer şekil değişikliğini (gerinim) bir elektrik sinyali olarak ölçer. Çünkü, gerinim telin etkin elektriksel direncini değiştirir. Bir yük hücresi genellikle bir Wheatstone köprüsü şeklinde düzenlenmiş dört gerinim ölçerden oluşur. Tek gerinim ölçerli (çeyrek köprü) ya da iki gerinim ölçerli (yarım köprü) yük hücreleri de vardır. Elektriksel sinyal çıkışı genellikle birkaç milivolt düzeyinde olup kullanılmadan önce bir amplifikatör ile yükseltilmeleri gerekir. Dönüştürücü çıkışı, dönüştürücüye uygulanan kuvveti hesaplamak için bir algoritma ile ilişkilendirilir.

Gerinim ölçer yük hücreleri çok yaygın olmasına rağmen, yük hücrelerinin diğer tipleri de vardır. Endüstriyel uygulamalarda, en yaygın kullanılan ikinci yük hücreleri hidrolik (ya da hidrostatik) yük hücreleri olup, bunlar gerinim ölçer yük hücre aletlerinde olan bazı sorunları ortadan kaldırmak için kullanılmaktadır. Örnek olarak, hidrolik bir yük hücresi, geçici gerilimlerden (yıldırım) etkilenmediği için bina dışı ortamlarda diğerlerinden daha uygun bir alet olabilir.

Diğer yük hücreleri şunlardır:

piezoelektrik yük hücreleri (dinamik kuvvet ölçümleri için kullanışlı) ve titreşimli tel yük hücreleri, düşük drift nedeniyle jeomekanik uygulamalarda, ]] işe yarar. Kapasitif yük hücreleri ise bir kondansatörün iki levhasının yükten dolayı sıkışmasından dolayı, kondansatörün kapasite değişikliklerini esas alarak çalışır.

Her yük hücresi ani yük değişikliklerine maruz kaldığında bir uyarı işareti verir. Bu durum yük hücrelerinin yay benzeri davranmasından ötürüdür. Yükleri ölçmek için, şekil değiştirmek zorundadırlar. Bu itibarla, ölçülebilir sertlikteki bir yük hücresinin doğal frekansında titreşimler çıkaran yay benzeri bir davranışı olmalıdır. Sanayide geniş kullanım alanı olan loadcellerin maksimum doğruluk ve hızda olmaları istenir. Fakat uygulama alanlarında bazı sıkıntılardan dolayı bunları sağlamak her zaman mümkün olmayabilir.

M.Ö. 5000 yıllarından günümüze değin tartma işlemi için eşit kollu terazilerden faydanılmaktadır. Bir diğer tartma metodu ise zemberekli terazilerdir. Zemberekli terazilerde zembereğe bağlı bir ibre vardır ve bu ibre ağırlığın gösterilmesi amacıyla kullanılır. Bu terazilerin avantajı kalibre edildikten sonra standart bir kütleye ihtiyaç duymamasıdır. Tekrarlanabilirlik ve güvenirlik açısından yay malzemesinin uygun seçilmesi, zembereğin yeteri kadar kurulması göstergenin belli bir aralıkta doğrusal cevap vermesi için önemlidir.

Çalışmamızın konusu olan yük hücresi (loadcell) de ağırlık ölçmedeki bir diğer metottur. Ağırlığın elektronik bir ekranda gösterilmesi (indication) için en uygun dönüştürücü (transducer) yük hücresidir.

Yük hücresi esaslı ağırlık göstergeleri veya kısaca elektronik teraziler teknik olarak zemberekli terazilere benzerler. Yay elemanı olarak çelik veya alüminyum kullanılmakta fakat malzemeye ölçüm almaya elverişli özel şekiller verilmektedir. (Bir yük hücresinin yay elemanı şekil itibariyle bir yaya hiç benzemese de prensip olarak aynıdır.) Çalışmamızın konusu olan yük hücresi (loadcell) de ağırlık ölçmedeki bir diğer metottur. Ağırlığın elektronik bir ekranda gösterilmesi (indication) için en uygun dönüştürücü (transducer) yük hücresidir.

Yük hücresi esaslı ağırlık göstergeleri veya kısaca elektronik teraziler teknik olarak zemberekli terazilere benzerler. Yay elemanı olarak çelik veya alüminyum kullanılmakta fakat malzemeye ölçüm almaya elverişli özel şekiller verilmektedir. (Bir yük hücresinin yay elemanı şekil itibariyle bir yaya hiç benzemese de prensip olarak aynıdır.)

Yük hücreleri uzama ölçer (strain gage) tabanlı dönüştürücülerdir. Uzama ölçerler ise bir sistemin veya müstakil bir yapının statik ve/veya dinamik mukavemetinin analiz edilmesinde kullanılan değişik büyüklük ve formdaki elektronik yapılardır. Ticari yük hücrelerinde ise 4 yada 5 farklı formda ve büyüklükte uzama ölçer kullanılmaktadır (Çeşitli kompozitler, mermer, seramik, cam ve beton vs. için imal edilmiş analiz amaçlı özel uzama ölçerler konumuzun dışındadır.)

Yük hücresi müstakil bir yapıdır tartma işlemi ise genellikle statik bir ölçmedir. Ağırlık ölçmede kullanıldığı için sadece tek eksen üzerinde çalışırlar. (Ağırlık dünyanın, bir kütleyi belli bir ivme ile çekmesi neticesinde oluşur ve bu çekim etkisi dünyanın neresinde olduğunuza göre değişkenlik gösterir.) Bir diğer isimleri de kuvvet dönüştürücüleridir. Kuvvet ise kütlenin ivme ile çarpımından oluşur. Ağırlık, bir kütlenin yere göre dik eksendeki çekim kuvvetine denk düşer.

Loadcell hakkında ayrıntılı bilgiler

Sabit bir cisme dışarıdan bir güç uygulandığında, malzeme üzerinde gerilim ve burkulmalar meydana gelir.Gerilim objenin harici güce karşı gösterdiği mukavemet,  burkulma ise objedeki iç yer değiştirme ve biçimsel bozulma diye tanımlanır.

Üzerine kuvvet uygulanan materyalde meydana gelen gerilme :
 
                        Uygulanan kuvvet      : F

                        Uygulanan alan         : A                   ‘ise
 
Üzerinde oluşan gerilme ;
 
                        Gerilim ( r) : F / A
 
‘dan hesaplanır.

Burkulma ise, objeye uygulanan güç sonucu materyal boyutlarında meydana gelen biçim değiştirmesinin tüm etkilenen boydaki yüzdesel dağılımıdır.
Burkulma miktarı, materyalin orijinal boyundaki değişimin, ilk boyuna bölümünden hesaplanır.

                        Burkulma ( e) :        DL / L             ‘dır.

Burkulma uzaması 0.005 inch / inch ‘den küçük  ise mikro burkulma ifadesi kullanılır.

            Mikro burkulma         : Burkulma x 10-6

Burkulma yani baskı sonucu fiziksel değişim miktarı ve gerilme Yük Hücreleri ile ölçülür.

Strain Gauge’lerle ilk bilgiler Lord Kelvin tarafından incelenmiş ve metalik iletkenlerin  gerilmeye maruz bırakıldığında, elektriksel direncinin değiştiğini görmüştü.

O günlerden sonra keşfedilen bu parametrenin endüstriyel alanda ilk uygulamaları 1930 larda başlamıştır.

Temelde tüm yük hücreleri (Strain Gauge’ler) mekanik hareketi, elektriksel işarete çevirmeye göre dizayn edilir.

Metalin iç kapasitans ve induktansı veya direnci burkulmayla orantılı bir büyüklük  üretir.

Mesela tel gerilmeye maruz bırakıldığında, çapı daralmasıyla beraber boyunda uzama meydana gelir. Bu da telin iç direncini değiştirerek gerilme algılamasını büyütür. Tüm gerilmeler de  Gauge Faktör denilen,  gerilim hassasiyeti faktörü aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.

            GF      : ( DR / R ) / ( DL / L )         

                        : ( DR / R ) / Burkulma

İdeal  tip yük hücresi,  yalnızca dış etkiyle meydana gelen zorlama sonucu hücredeki şekil değişikliğini elektriksel dirence çevirendir.Bununla beraber uygulamalarda çevre sıcaklığı,  malzemenin imalat kusurları, yük hücresinin altındaki yüzeye olan yapışma miktarı ve metalin esnekliğe karşı fiziksel stabilitesi, elektriksel direncinin değişimini etkiler.

Farklı materyallerin aynı yöndeki gerilimlere karşı tepkisi de farklıdır. Bir metale uygulanan yük kristal seviyede değişik eksenel gerilemeler oluşturur. Kuvvetin bastığı yöndeki ana kuvvet haricinde poison  ve torsional gerilme gibi ölçülebilir büyüklüklerin hepsi bunlara örnek sayılabilir..

Kesme (shear) zorlaması, materyalin baskı altında iken açısal kaçınımı olarak ifade edilir.Örneklersek bir kitaba üst sağ köşeden güç tatbik edildiğinde, kuvvet kitaba Tropezoidal şekil almaya zorlar. Bu durumda oluşan shearing gerilmesi X ve Y eksenleri arasındaki açısal oran,  yani tanjantı olarak düşünülebilir.

Poisson gerilmesi ise bir metal çubuğun incelip uzaması olarak tanımlayabiliriz. Bu tip gerilmeye uzamaya göre ters yöndeki negatif gerilme olarak da ifade edebiliriz. Boy artarken tel çapı düştüğünden iletkenlikte düşer.

            Çapsal Gerilme                    : DD / D

            Boylamsal Gerilme ( el )      : DL / L

            Poission Oranı ( v )              : [ (DD / D ) / (DL / L ) ] = ( et / el )

Yük hücresi tipleri

Yük hücresinin kuvvet altındaki deformasyonu mekanik, optik, akustik, pnomatik ve elektriksel olarak ölçülebilir.

İlk imal edilen yük hücreleri gerilmenin boyda yarattığı uzamayı, orijinal boyu ile karşılaştırarak ölçen mekanik dizaynlı aletlerdi. Örneğin hala kullanılan uzunluk ölçüm metresi gerilmeyi ölçmede kullanılabilmektedir. Ancak bu tip aletlerin hassasiyetleri kaba ve kullanımı zordur.

Optik tabanlı ölçüm cihazları çok doğru ve hassas ölçüm yaparlar. Fakat çok sık arızalanmaları ve devamlı bakım zorunluğu endüstride kullanımı popüler kılmamaktadır. Bir optik ışın kaynağında üretilen ışığın cisimdeki gerilmenin yarattığı uzamaya bağlı olarak değiştirdiği aynaya çarpan ışığın açısal yansımaya göre yoğunluk değişiminin algılanmasıyla ölçülür.Optik cihazların ideal olarak kullanım yeri laboratuvarlardır.

Materyal gerilmesinin parametre olarak en uygun olarak ölçülebildiği metod ise uygulanan yüke karşı elektriksel direnç üreterek iletkenin boyundaki mikroskopik değişimin ölçülmesidir.

Bu tip celler şu an en yaygın kullanım alanına sahiptir.Burada daha çok bu tip yük hücresi (Strain Gauge) ‘nden bahsedilecektir.

Kapasitif ve İndüktif tip yük hücreleri imal edilip kullanımaktaysa da, vibrasyona karşı zayıf kalmaları ve buradan kaynaklanan hataların azaltılması için kompleks montaj elemanların kullanılması ve sık arızalar bu tip cihazların kullanımını engellemektedir.

İlk metalik tel tip yük hücreleri 1938 de imal edilmiştir. Bu tip ölçüm hücreleri 0.025 mm çapındaki iletken telleri bir ızgara gibi sararak Epoxy reçine kaplı ince bir film tabakası altında gerilime maruz kalacak yüzeye yapıştırılmaktaydı.

Bu yüzeye bir kuvvet uygulandığında, yüzeydeki uzunluk değişimi, hücrenin boyunu uzaltıp çapını küçültmekte gerilme kuvvetine bağlı olarak şeritli ızgara’nın direncini lineer olarak değiştirmektedir. Bu ızgara tipli yük hücresi ve alttaki yüzeye “metalik bağlama yapışkanı” birlikte hareket etmekte, bu yapışkan aynı zamanda metal yüzeyi ile yük hücresi arasında yalıtkan olarak kullanılmaktadır.

Bir yük hücresinin  gerilim etkisiyle ürettigi elektriksel sinyalin stabil olması      ve çevresel şartların (mesela sıcaklık) ölçmede yarattığı sapmaların etkisinin hesaba katılması gerekir. Yük hücrelerinin çoğu sıcaklığa duyarlı olduğundan iletkenlik parametresi değişmekte ve zaman geçtikce bu etki daha fazla artmaktadır.

Kısa süreli testlerde bu etki problem yaratmazken,  endüstriyel uygulamalar gibi uzun süreye yayılan ölçümlerde karakteristikteki bu değişim dikkate alınmaktadır.

Her yük hücresinin iç direnci Geyç Faktörü ( GF ) denilen,  direnç, sıcaklık katsayısı, ısıl katsayı ve stabiliteyle beraber anılan bir katsayıya sahiptir

Yük hücresini oluşturan iletken teller Bakır-Nikel, Nikel-Krom, Platinyum-Nikel  ve Nikel-Demir gibi metal alaşımlardan imal edilmektedir.

Faydalı bilgiler : Kablo Seçim Cetveli | PLC | HMI | SCADA | Endüstri 4.0 | Servo motor | AC motor | Step motor | DC motor | Loadcell | Konveyör | Profinet | Direnç değeri okuma |

Son yazılar : DC motor sürücü devresi | Elektrik nedir | Elektrik sigortası | Elektrik trafoları | Fabrika otomasyon | Fiber optik nedir | Güneş enerjisi nedir | ilk yardım | izolatör | jeneratör | Koaksiyel kablo nedir | Kompanzasyon | Konnektör nedir | Paratoner | rezistans nedir | Step motor sürücü nedir | Step motor sürücü çeşitleri | Stroboskop nedir | Takometre nedir | Topraklama | Arduino | Stirling motoru | Load cell kablosu | Mekanik enerji | Fabrikalar için tasarruf önerileri |