Doktorska disertacija
Hidravlične merilne celice za merjenje majhnih obremenitev
Ogledi: 4 | Prenosi: 7
Povzetek
V tem delu opisujemo načrtovanje hidravličnih merilnih celic za univerzalni kuhinjski aparat
z integrirano funkcijo tehtanja, ki jih bo mogoče kasneje uporabiti tudi v mreži senzorjev za
spremljanje dinamičnih lastnosti in nadzor kuhinjskega aparata. V konkretnem primeru bo
funkcija tehtanja prilagojena tehtanju večjih količin živil (do 5 kg). Želimo čim manjše
merilne celice, ki ne bodo bistveno večje od obstoječih gumijastih nogic kuhinjskega aparata.
Naša dodatno zahteva pri vgradnji merilnih celic v kuhinjski aparat je uporaba majhnih in
cenovno sprejemljivih merilnih celic z velikim izhodnim razponom električnega signala.
Merilnih celic s takšnimi želenimi lastnostmi nismo našli na trgu, zato smo se odločili, da
skladno z našimi željami razvijemo merilno celico, ki je opisana v tej disertaciji. Cilj je bil
razviti merilno celico enostavne konstrukcije, s čimer bomo lahko dosegli nižjo ceno izdelave.
Želimo tudi, da so merilne celice narejene iz standardnih komponent, ki jih bo mogoče
enostavno izdelovati z uporabo okolju prijaznih tehnologij.
Hidravlično merilno celico, ki izpolnjuje zgoraj navedene zahteve, smo zasnovali in
modelirali z metodo končnih elementov (MKE) pred samo sestavo in testiranjem vzorcev, z
namenom izbora najprimernejših komponent in njihovih dimenzij. Zahteva po enostavni
konstrukciji, uporabi standardnih komponent in njihovi enostavni sestavi, nas je pripeljala do
odločitve, da uporabimo s hidroforming tehnologijo izdelane kovinske mehove. Ti so lahko
narejeni iz različnih materialov, kot so nerjaveče jeklo, berilijev bron, medenina ali Monel
(nikelj-bakrova zlitina). Izbrali smo berilijev bron (CuSn8). Kovinski mehovi iz berilijevega
brona imajo vrsto dobrih lastnosti. Najpomembnejše so odlična odpornost proti koroziji,
neznaten pojav lezenja in histereze in možnost spajkanja. Polnilni medij, ki zapolnjuje
notranjost hidravlične merilne celice, je v stiku z vsemi kovinskimi deli in s silicijevim
senzorskim elementom za merjenje tlaka. Takšen medij mora biti dober električni izolator , ne
sme kemijsko reagirati z elementi, s katerimi je v stiku, ne sme biti abraziven in mora imeti
nespremenljive fizikalne lastnosti v širokem temperaturnem območju. Zaradi možnega
neposrednega stika z nezaščiteno silicijevo senzorsko tabletko smo izbrali silikonsko olje.
Na podlagi opravljenih simulacij smo izdelali serijo prototipnih hidravličnih merilnih celic.
Za merjenje tlaka tekočine v hidravlični merilni celici smo uporabili absolutne silicijeve
senzorje tlaka MS7904A in MS7204A (0,4 MPa), proizvajalca Intersema Sensoric SA.
Vzorce smo testirali pri različnih temperaturah in sicer pri 10 °C, 20 °C, 30 °C in 40 °C. Da
smo dosegli želeno natančnost in ponovljivost testov, smo izdelali namensko pripravo za
karakterizacijo hidravličnih merilnih celic. Celoten nadzor poteka karakterizacije in meritve
vzorca smo izvedli s pomočjo programskega paketa LabVIEW.
Dosegli smo dobro občutljivost, velik odziv izhodne napetosti v odvisnosti na vhodno
obremenitev. To daje dobro razmerje signal/šum in zagotavlja visoko odpornost na
elektromagnetne motnje v kuhinjskem aparatu, kar je prednost pred klasičnimi merilnimi
celicami. Glavne karakteristike smo izmerili v skladu s priporočilom OIML R 60. Dobljeni
rezultati izpolnjujejo postavljene osnovne zahteve za namene v ciljni aplikaciji.