Der Einfluss von Querkraft auf Brücken- und Säulen-Wägesensoren und die Unterschiede in ihren Einsatzszenarien
Im tatsächlichen Betrieb von Wägesystemen tragen Sensoren nicht nur axiale Wägelasten senkrecht zur kraftaufnehmenden Oberfläche, sondern sind auch häufig Querkrafteinflüssen in horizontaler oder geneigter Richtung ausgesetzt. Als Nicht-Ziel-Last stört die Querkraft den idealen Krafteinwirkungszustand des Sensors, was zu einer verringerten Messgenauigkeit oder sogar zu Hardwareschäden führt. Aufgrund inhärenter Unterschiede in der Konstruktion und den Krafteinwirkungsprinzipien weisen Brücken- und Säulen-Wägesensoren stark unterschiedliche Querkrafttoleranzfähigkeiten auf — was direkt ihre unterschiedlichen Grenzen in den Anwendungsszenarien definiert. Dieser Artikel beginnt mit dem Mechanismus der Querkrafteinwirkung, vergleicht die Querkraftbeständigkeit der beiden Sensoren und sortiert systematisch die Kernanforderungsunterschiede in ihren Anwendungsszenarien.
Querkraft bezieht sich auf die Nicht-Ziel-Last, die während des Wiegens auf den elastischen Körper des Sensors in horizontaler, geneigter oder Torsionsrichtung (abweichend von der axialen Kraftrichtung des Sensors, normalerweise vertikal) wirkt. Sie umfasst hauptsächlich drei Arten: Querdrücken/Ziehen, Scherkraft und Torsionsmoment. Obwohl sie nicht das zu messende Objekt des Wägesystems ist, ist diese Kraft eine wichtige Störquelle, die Messfehler verursacht.
Querkraft steht in engem Zusammenhang mit der Betriebsart und dem Gerätestatus des Anwendungsszenarios. Häufige Szenarien lassen sich in drei Typen einteilen:
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Dynamische Störungen während des Betriebs
- Zum Beispiel: Wenn ein Gabelstapler ein Fass auf die Wägeplattform bewegt, erzeugt der horizontale Aufprall zwischen dem Fass und der Plattform eine Querkraft; wenn ein Roboterarm Materialien zum Wiegen greift, bildet die Trägheitskraft der Armbewegung eine geneigte Querkraft; wenn ein Förderband Materialien transportiert, wandelt sich die durch Materialverschiebung verursachte Lastverschiebung in eine laterale Scherkraft um.
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Fehler bei der Geräteinstallation und -kalibrierung
- Wenn die Montagefläche des Sensors nicht eben ist (einen Neigungswinkel aufweist), wird die axiale Last in eine laterale Komponente zerlegt; wenn mehrere Sensoren zum Wiegen kombiniert werden, verhindern Abweichungen im Sensorabstand oder in den Kraftpunkten eine gleichmäßige axiale Lastübertragung, wodurch ein Torsionsmoment entsteht; während der Kalibrierung verursacht die versetzte Platzierung von Gewichten einen lokalen Querdrücken.
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Auswirkungen von Umwelt- und Arbeitsbedingungen
- In Werkstätten mit starken Vibrationen werden periodische Vibrationen vom Gerätebetrieb auf den Sensor übertragen, wodurch eine Queraufprallkraft entsteht; beim Wiegen von Mischtanks oder Reaktionsbehältern wandelt sich die Zentrifugalkraft von rotierenden inneren Materialien in eine Querkraft um; im Freien befindliche Wägegeräte (z. B. Lkw-Waagen), die starkem Wind ausgesetzt sind, tragen horizontale Querkraft durch Windlasten.
Die Konstruktionen von Brücken- und Säulen-Wägesensoren führen zu signifikanten Unterschieden in ihren Reaktionsmechanismen, Fehlererscheinungen und Schadensrisiken bei Einwirkung von Querkraft. Dies kann anhand von drei Dimensionen analysiert werden: elastische Körperstruktur, Dehnungsmessstreifenanordnung und Leistungsauswirkungen.
Brücken-Wägesensoren, auch als Balkensensoren bekannt, weisen eine Kernstruktur aus "I-förmigen", "kastenförmigen" oder "Doppelloch"-elastischen Balken auf. Die Balken sind über feste Enden an beiden Seiten mit der Wägeplattform/dem Sockel verbunden, wobei Dehnungsmessstreifen im mittleren kraftaufnehmenden Bereich angebracht sind. Die Querkrafttoleranz dieser Struktur ergibt sich aus zwei Kernvorteilen:
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Richtungsorientierte Anpassung der strukturellen SteifigkeitDas Trägheitsmoment des Querschnitts des elastischen Balkens ist weitaus größer als sein axialer Gegenpart, was ihm eine extrem hohe Quersteifigkeit verleiht. Beispielsweise hat ein Brückensensor mit einer Nennlast von 5 t einen Querlastwiderstand von 30 % – 50 % der axialen Last (d. h. 1,5 t – 2,5 t). Wenn Querkraft auf ihn wirkt, beträgt die Querverschiebung des elastischen Balkens nur 0,005 mm – 0,01 mm — viel kleiner als die 0,1 mm – 0,15 mm Verschiebung unter axialer Last — daher ist es unwahrscheinlich, dass unbeabsichtigte Verformungen auftreten.
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Richtungsorientierte Isolierung von DehnungsmessstreifenDehnungsmessstreifen werden nur auf der Ober- und Unterseite des elastischen Balkens angebracht, und die Richtung ihrer sensitiven Gitter ist auf die axiale Richtung ausgerichtet. Sie sind nur empfindlich gegenüber der "Zug-Druck-Dehnung", die durch axiale Lasten verursacht wird. Im Gegensatz dazu steht die "Scherdehnung" oder "Biegedehnung", die durch Querkräfte (z. B. Querscherung, Torsionsmoment) induziert wird, senkrecht zur sensitiven Richtung der Dehnungsmessstreifen, so dass sie nicht in gültige elektrische Signale umgewandelt werden kann. Daher wird die Fehlerwirkung von Querkraft auf Brückensensoren in der Regel innerhalb von 0,1 % FS (Vollausschlag) gehalten, und einige hochpräzise Modelle können dies sogar auf 0,05 % FS reduzieren.
Es ist zu beachten, dass, wenn die Querkraft die Lastwiderstandsgrenze des Brückensensors überschreitet (normalerweise 50 % der axialen Last), der elastische Balken eine dauerhafte Biegeverformung erfahren kann. Dies manifestiert sich als erhöhte Sensor-Nullpunktdrift (über 0,02 % FS/°C) und verringerte Linearität, was zu einem irreversiblen Verlust der Messgenauigkeit führt.
Der elastische Körper eines Säulen-Wägesensors hat eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Struktur, wobei Dehnungsmessstreifen gleichmäßig entlang der Umfangsrichtung des Zylinders angebracht sind (typischerweise 4 oder 8 Stück, die einen Vollbrücken-Messkreis bilden). Unter Krafteinwirkung erzeugt er Dehnung durch axiale Kompression des Zylinders. Der Kernfehler dieser Struktur liegt in ihrer "axial-queren Steifigkeitsgleichförmigkeit" — der Unterschied im Trägheitsmoment zwischen den axialen und quer verlaufenden Querschnitten des zylindrischen elastischen Körpers ist gering, und seine Quersteifigkeit beträgt nur 1/3 – 1/5 der eines Brückensensors. Querkraft verursacht somit leicht eine irreversible Verformung des elastischen Körpers, mit folgenden spezifischen Auswirkungen:
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