لودسل تجهیزی برای اندازه‌گیری نیرو است. بدون شک تاکنون با جرثقیل و پرس مواجه شده‌اید یا کارکرد آن‌ها را در صنعت یا محیط اطراف خود دیده‌اید. لودسلها یکی از اجزای مهم جرثقیلها و پرس‌ها هستند. کاربرد این تجهیزاتِ دقیق (در بعضی کاربردها تا ۶ رقم اعشار) را می‌توانید در اکثر صنایع مشاهده کنید. در این مقاله با ساختمان داخلی لودسل، چگونگی عملکرد، کاربردها و انواع آن آشنا خواهید شد.
برای درک بهتر عملکرد لودسل، قسمتی از دوره اتوماسیون صنعتی تکمیلی ماهر را با هم ببینیم.
شکل ۱- لودسل
لودسل چیست؟
لودسل (Load cell) تجهیز اندازه‌گیری وزن یا نیرو است. از کاربردهای لودسل می‌توان به اندازه‌گیری فشار، کشش، خَمِش یا بُرِش اشاره کرد. لودسل یک مبدل نیرو به سیگنال الکتریکی است. محبوب‌ترین لودسل، استرین‌گیج (Strain Gauge) نامیده می‌شود.
ساختار
به طور کلی لودسلها دو قسمت اصلی دارند:
- استرین‌گیج
تغییرات مقاومت از طریق یک سیگنال الکتریکی به کنترلر منتقل شده و میزان نیروی وارده مشخص می‌شود. این مقاومت‌ها، با ماده‌ای مانند رزین، درون یک بدنه (کیسینگ) مکانیکی قرار می‌گیرند.
شکل ۲- محل قرارگیری استرین‌گیج
شکل ۳- استرین‌گیج
2. بدنه یا کِیسینگ مکانیکی (Mechanical Casing)
بدنه یا کیسینگ مکانیکی را از جنس آلیاژ استیل، آلیاژ آلومینیوم یا آلیاژ فولاد می‌سازند. وظیفه اصلی بدنه، حفاظت از اجزای داخلی است.
وقتی به لودسل نیرو وارد کنید، فرایندهای زیر اتفاق می‌افتد:
- در کیسینگ فلزی، تنش (تغییر طول و سطح مقطع) ایجاد می‌شود.
- تنشِ ایجاد شده به استرین‌گیج منتقل می‌شود.
- میزان مقاومت در استرین‌گیج تغییر می‌کند.
- کنترلر یا نمایشگر، سیگنال الکتریکی متناسب با تغییر مقاومت استرین‌گیج را در ورودی خود دریافت می‌کند.
نحوه عملکرد لودسل
بعد از اعمال نیرو به لودسل، با توجه به سیگنال اولیه استرین‌گیج، میزان تغییراتِ سیگنال الکتریکی از سیگنال اولیه اندازه‌گیری می‌شود. تغییرات سیگنال الکتریکی، نشان‌دهنده تغییرات مقاومت استرین‌گیج و میزان نیروی اعمال شده به لودسل است. برای تشخیص تغییرات مقاومت از پل وتستون استفاده می‌شود.
بیشتر بدانیم:
پل وتستون (Wheatstone Bridge):
شکل 1 – پل وتستون
پل وتستون یک مدار الکتریکی تشکیل شده از چهار مقاومت است. چیدمان مقاومت‌ها در پل وتستون مطابق شکل 1 است. هنگامی که مدار در حالت تعادل باشد، اختلاف پتانسیل بین دو شاخه موازی برابر صفر می‌شود. در حالت تعادل، رابطه زیر برقرار است:
برای محاسبه مقدار مجهول Rx می‌توانید از رابطه زیر استفاده کنید:
در پل وتستونِ متعادل و با توجه به رابطه اخیر، می‌توانید تغییرات مقاومت Rx را اندازه‌گیری کنید.
دسته‌بندی لودسل بر اساس مکانیزم عملکرد
لودسلها بر اساس روش عملکرد به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- لودسل‌های کششسنج (Strain Gauge Load Cells)
- لودسل‌های خازنیِ نیروسنج (Capacitive Force Load Cells)
- لودسل‌های پیزوالکتریک (Piezoelectric Load Cells)
- لودسل‌های سیم ارتعاشی (Vibrating wire Load Cells)
لودسل کششسنج یا استرین‌گیج
کشش در رساناها باعث کاهش سطح مقطع و افزایش طول می‌شود. از طرفی، فشار، سطح مقطع هادی را پهن‌تر و طول آن را کوتاه‌تر می کند. این تغییر در ابعاد، تغییر در مقدار مقاومت را به همراه خواهد داشت. لودسل‌های استرین‌گیج، بر اساس اصل تغییر مقاومت الکتریکی کار میکنند. بر این لودسلها مقدار نیرو را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکنند.
برای آشنایی با سیگنال الکتریکی مقاله «سیگنال های استاندارد الکتریکی» را بخوانید.
شکل ۴- لودسل استرین‌گیج
لودسل خازنیِ نیروسنج
شکل ۵- لودسل خازنی
لودسل‌های خازنی نیروسنج، از ظرفیت خازنی یک ماده یا مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در خازن استفاده میکنند. این لودسل، دو صفحه موازی دارد که با ماده‌ای دی‌الکتریک از هم جدا می‌شوند. اعمال نیرو به این صفحات، ظرفیت خازنی را تغییر می‌دهد. زیرا دی‌الکتریک در سراسر صفحات تغییر می‌کند. ظرفیت خازنی با مساحت ِصفحات، رابطه مستقیم و با فاصله بین صفحات رابطه معکوس دارد. طبق این اصل، با کاهش فاصله بین صفحات (d)، ظرفیت خازن افزایش می‌یابد (شکل ۶).
شکل ۶- تغییر ظرفیت خازن تحت فشار
لودسل‌های پیزوالکتریک
لودسل‌های پیزوالکتریک، برای اندازه‌گیری وزن از اثر پیزوالکتریک استفاده میکنند.
اثر پیزوالکتریک، توانایی برخی مواد برای تولید بار الکتریکی تحت تنش مکانیکی است. این بار الکتریکی متناسب با نیروی اعمال شده تولید می‌شود.
شکل ۷- لودسل پیزوالکتریک
نیرو در این لودسلها در یک جهت اندازه‌گیری می‌شوند. اگر اندازه‌گیری از سایر جهت‌ها مورد نیاز باشد، از تعداد لودسل بیشتری استفاده می‌کنیم.
لودسل‌های سیم ارتعاشی
لودسل‌های سیم ارتعاشی، از اصل تغییر فرکانس طبیعیِ یک سیم استفاده میکنند.
برای طول، جرم و جنسِ مشخصِ یک سیم، هر چه کشش بیشتر باشد، فرکانس بالاتر است. کشش یک سیم با مجذور فرکانسِ ارتعاش آن نسبت مستقیم دارد.
شکل ۸- لودسل سیم ارتعاشی
در طراحی این لودسل، از یک سیم به عنوان سنسور نیرو استفاده می‌شود. یک مدار نوسانگر الکترونیکی باعث می‌شود که سیم در فرکانس طبیعی خود، ارتعاش کند. با اعمال نیرو، میزان کششِ سیم هم تغییر می‌کند. تغییر در کشش، فرکانس ارتعاش سیم را تغییر می‌دهد. این تغییر در ارتعاش، با یک سنسور اندازه‌گیری شده و در نهایت به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.
برای آشنایی با سنسور و انواع آن مقاله «سنسور چیست و انواع آن کدام اند؟» را بخوانید.
سایر انواع لودسل
لودسل نوع قوطی یا کَنیستر (Canister Type Load cell)
لودسل کنیستر یکی از اولین طرح‌های لودسل است. این تجهیز، با نام‌های لودسل سیلندری و استوانه‌ای هم شناخته می‌شود. این لودسلها با اندازه‌گیری کشش یا فشار می‌توانند ظرفیتی از ۱۰۰ پوند تا ۵۰۰ هزار پوند معادل ۴۵/۳ کیلوگرم تا ۲۲۶/۷ کیلوگرم داشته باشند. باسکولِ وسایل نقلیه مانند کامیون و قطار از کاربردهای این لودسل است.
شکل ۹- لودسل نوع قوطی یا کنیستر
لودسل میله خم‌شونده (Bending Beam Load cell)
لودسل میله خم‌شونده یا آکاردئونی به گونه‌ای طراحی می‌شود که قسمت‌های خاصی از بدنه لودسل در پاسخ به بارِ اعمال‌شده، خم شوند. این قسمت‌ها در ازای نیروی نسبتا کم، به شدت خم می‌شوند.
شکل ۱۰- لودسل میله خمشی
لودسل میله بُرشی تک‌سر (Single-Ended Shear Beam Load cell)
لودسل میله برشی تک‌سر در ترازوهای صنعتی، ترازوهای بشکه‌ای و توزین ظرف با ظرفیت کم تا متوسط محبوب هستند. این لودسل ها از آلومینیوم، آلیاژ و فولاد ضدِ زنگ تولید می‌شوند. این لودسل، در کانوایرها به‌کار می‌رود.
شکل ۱۱- لودسل میله برشی تک سر
لودسل میله برشی دو سر (Double-Ended Shear Beam Load cell)
لودسل میله برشی دو سر مشابه میله برشی تک سر است. فقط به جای این که در یک انتها به بار وارد شود، از هر دو انتها به بار وارد می‌شود. ماشین‌های بیلِر (دستگاه بسته‌بندی محصولات کشاورزی) و جرثقیلها از کاربردهای این نوع لودسل هستند.
شکل ۱۲- لودسل میله برشی دو سر
لودسل نوع Z یا S
این لودسلها در اثر کشش یا فشار در هر دو انتها تغییر شکل می‌دهند. لودسل نوع S بسیار پرکاربرد است. پرس‌ها مشهورترین کاربرد این نوع لودسل هستند.
شکل ۱۳- لودسل نوع S
کاربردهای لودسل
لودسل مزایای زیادی نسبت به ترازوهای مکانیکی دارد. این مزایا باعث می‌شوند که اکثر صنایع لودسل را جایگزین تجهیزات اندازه‌گیری وزن کنند. در ادامه برخی از کاربردهای لودسل را می‌خوانید.
توزین فرآیند صنعتی و تولیدی
کارخانه‌های صنعتی و تولیدی از لودسل برای اندازه‌گیری مقدار وزن مواد اولیه و محصولات نهایی خود استفاده میکنند. علاوه بر این، در طول خط تولید، برای تنظیم پارامترهای مختلف، به دانستن مقدار ماده نیاز است. لودسل در تجهیزات صنعتی مانند قیف، سیلو، مخازن، نوار نقاله، ماشین‌آلات بسته‌بندی و غیره استفاده می‌شود.
تست و آزمایشگاه
ماشین تست یونیورسال (Universal Testing Machine) یک دستگاه محبوب است که از لودسل استفاده می‌کند. ترازوهای آزمایشگاهی هم از لودسل با دقت بسیار بالایی استفاده میکنند.
شکل ۱۴- ماشین تست یونیورسال
اتوماسیون و کنترل فرآیند
سیگنال‌های خروجی لودسل در فرایند اتوماسیون، به عنوان سیگنال‌های بازخورد استفاده می‌شوند. بنابراین لودسل برای بسته‌بندی، توزیع و مرتب‌سازی اتوماتیک کاربرد دارد.
ماشین‌آلات توزین و ترازو
لودسل در سکوهای توزین کامیون، باسکول، جرثقیل، راه آهن و غیره هم پرکاربرد است. در این کاربرد، برای اندازه‌گیری کالاهای بارگیری شده روی کامیون‌ها و کانتینرها از لودسل استفاده می‌شود.
جمع بندی
در این مقاله برای پاسخ به سوال لودسل چیست، انواع و کاربردهای آن کدام است، به تعریف اجمالی این تجهیز پرداختیم. سپس انواع آن را بررسی کرده و کاربردهایی مانند توزین فرآیند صنعتی و تولیدی، تست و آزمایشگاه، اتوماسیون و کنترل فرایند، ماشین آلات توزین را توصیف کردیم.
برای اطلاعات بیشتر درباره این تجهیز، دوره اتوماسیون صنعتی تکمیلی ماهر را به شما پیشنهاد می‌کنیم.
منبع: omega.com
درود به شما.خیلی عالی و کامل بود.من به شخصه کاربردش رو نمی‌دونستم و برام جذاب بود.ضمنا میخواستم بدونم ایا در ترازوهای دیجیتالی که در فروشگاه‌های مارکت هست هم از این لودسل ها استفاده میکنند؟
ممنون از مطالب علمی و جالب تون ،🖐️🖐️🌹
سلام وقت بخیر ، جناب در ترازوهای دیجیتال هم از همین مدل لودسل استفاده می‌شود.
ممنون از زحمات شما مهندس عزیز
سپاس از همراهی شما
عالی .افرین مثل همشه پر قدرت
سلام وقت بخیر، سپاس از همراهی گرم شما