Yük Hücresi

Yük hücresi, kuvvet ölçüm cihazları için sensörleri olarak adlandırılır. Yük hücresi çok çeşitli şekil ve boyutlarda olabilir. Günümüzde yük hücresi terimi düz silindirik şekle sahip olanların haricinde diğer tasarımlar için de kullanılır. Kuvvet göstergesine sabit bir şekilde bağlanan yük hücresi olduğu gibi çeşitli kuvvet ölçüm cihazlarına ya da kuvvet göstergelerine bağlanabilen yük hücresi de vardır. Harici yük hücresinin avantajı, ölçüm noktası ile gösterge noktasının birbirinden uzak olabilmesi ve çok sınırlı alan koşullarında da kullanılabilmesidir. Bazı elektriksel ölçüm yöntemleri ile birkaç yük hücresinin sinyalleri birlikte değerlendirilebilir. Bu seçenek genellikle tartım teknolojisinde kullanılır. Yer çekimi değeri biliniyorsa ağırlık kuvvetinden kütle belirlenebildiğinden yük hücresi çok sayıda terazide kullanılır. Özel yük hücreleri, bir eksen boyunca birkaç kuvvet yönünü ya da aynı anda birkaç kuvvet ekseni için değerleri kaydedebilir.

VDI 2638 Kılavuzu, yük hücresi için karakteristik değerleri düzenlemektedir. Yük hücresi için karakteristik değerleri tanımlayan bu kılavuz “tüketicinin ürün karakteristiklerini net bir şekilde belirlemesine ve gereksinimlere göre seçim yapmasına olanak sağlamaktadır“. 

Basit mekanik yük hücresi, metalik spiral yaylardan yapılabilir. Spiral yay eksen boyunca bastırıldığında ya da çekildiğinde ölçüm aralığındaki uzunluk değişimi uygulanan kuvvetle orantılı olur. Kuvvet serbest bırakıldığında yük hücresi eski şekline geri döner. Yaylar, malzemeye, malzeme kalınlığına ve bobin türü ve sayısına göre farklı ölçüm aralıkları için tasarlanabilir. Yay hareketi ölçek üzerinde kuvvet değeri olarak görüntülenir. Bazı yay kuvveti göstergeleri ek olarak yüklendiğinde ayrı bir sürükleme ibresini çeker ve bu ibre boşaltıldığında başlangıç konumuna geri dönmez. Bu, bir dizi ölçümün maksimum değerini kaydeder.

En yaygın biçimde kuvvet genellikle bir miktar çıkıntı yapan ve hidrolik sıvıyla dolu silindire bastırılan bir pistona etki eder. Yük hücresinin bir mil aracılığıyla konumlandırıldığı ve tutulduğu ölçüm noktaları için özel dairesel pistonlar vardır.

Akışkanların sıkıştırılması zor olduğundan uygulanan kuvveti sistem içinde iletirler. Gösterge, basınç göstergeleri, basınç transmiterleri ya da özel kontaklar aracılığıyla mekanik olabilir. Hidrolik yük hücresi yardımcı enerji gerektirmez, sağlamdır ve uygun hidrolik sıvıyla geniş sıcaklık aralıklarında kullanılabilir.

Gerinim ölçerli yük hücresi de metal tellerin elastik deformasyonunu kullanır. Ancak burada kaydedilen uzunluktaki değişim değil bunun neden olduğu elektrik direncindeki değişim dikkate alınır. Tel gerilirse direnç atar, tel sıkıştırılırsa direnç azalır. Bir taşıyıcı folyoya genellikle kıvrımlı bir şekilde uygulanan ince tel gerinim ölçer olarak adlandırılır. Gerinim ölçerlerin uygulandığı temel gövde, elastik olarak deforme olduğundan yay gövde olarak adlandırılır.

Birden fazla çapraz bağlı direnç kullanılarak enine kuvvetler, eğilme momentleri ve sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan ölçüm hataları önlenebilir. Bu, dört gerinim ölçerin yük hücresinin ya da yük hücresinin yay gövdesine, kuvvet uygulandığında ikisi sıkıştırılacak ve ikisi gerilecek şekilde bağlandığı Wheatstone köprü devresi ile sağlanır. Sıcaklık değişirse tüm gerinim ölçerlerdeki direnç de değişir, ancak, zıt yönlere yönlendirildikleri için çıkış voltajı olmaz. Bu devre kullanılarak nispeten düşük maliyetle çok hassas kuvvet sensörleri yapılabilir. Buna ek olarak, yay başlığının şekli ve malzemesi aracılığıyla pek çok ölçüm aralığı kapsanabilir.

Elektromanyetik kompanzasyonlu yük hücresinde (EMFC olarak da bilinir) enerji verilen bir bobinin etrafında bir manyetik alan oluşturulur. Bir konum sensörü, bobin kuvvetle indirildiğinde bunu algılar. Sensör, orijinal konuma tekrar ulaşılana kadar bobin akımını arttıran bir denetleyiciye sinyal gönderir. Bu nedenle, yük hücresi kuvvet etkisini elektromanyetik olarak kompanze ettiğinden yüklü ve yüksüz durumda konum aynıdır. EMFC yük hücreleri, çok küçük kuvvetleri de hassas bir şekilde ölçebilir. Gerekli akım yük ile orantılıdır.

Piezoelektrik kristallerin yüzeyine bir yük uygulandığında büyüklüğü uygulanan kuvvet ile orantılı olan bir yük oluşur. Kutupsal eksenli belirli kristaller üzerindeki bu etki 1880 yılında Pierre ve Jaques Curie tarafından keşfedilmiştir. Bu yük sadece kısa bir süre için tutulduğundan bu prensip esas olarak hızlı yük değişiklikleri, kısa süreli yük pikleri ya da sürekli kayıt ile sürekli ölçümler için uygundur. Piezoelektrik yük hücresi ile 100 Hz’e kadar frekanslara sahip dinamik yükler bile ölçülebilir. Birkaç elemanın uygun şekilde konumlandırılmasıyla çok eksenli ölçümler de mümkündür.

Genellikle kuvars kristallerinden yapılan kuvvet sensörlerini bir şarj amplifikatörü takip eder. Bu, yükteki değişiklikleri algılayıp dönüştürür ve ekranlara, arayüzlere ya da depolama ortamına aktarır. Piezoelektrik yük hücresi, dinamik yükleri çok hızlı ve yüksek hassasiyetle ölçer.

Aşağıdaki temel sorular uygun yük hücresi seçiminde yardımcı olabilir:

- Yük hücresi tarafından ne tür bir kuvvet kaydedilecek?

- Ölçüm görevi için özel adaptörler gerekli mi?

- Maksimum kuvvetler nelerdir?

- Hassasiyetin ne kadar olması gerekiyor?

- Ölçüm sonuçlarının kaydedilmesi gerekiyor mu?

- Yük hücreleri özel çevre koşullarında mı kullanılacak?

Yük hücresinin tasarımı, ölçüm görevine göre farklılık gösterir. Statik ya da dinamik kuvvetlerin ölçülüp ölçülmeyeceği önemlidir. Ardından, aşağıdakiler arasında bir ayrım yapılır:

- Sadece çekme kuvvetleri ya da basma kuvvetlerini ölçen yük hücresi

- Çekme ve basma kuvvetlerini çift yönlü olarak ölçen yük hücresi

- Torkları ölçebilen yük hücresi

Bazı yük hücresi, özel adaptörler bağlama imkanı sunar. S şekilli gerinim ölçer yük hücresi, kuvvet göstergesi için bağlantı seçeneğine ek olarak üst ve alt kısımda metrik dişli deliklere sahiptir. Bunlar aşağıdakiler için kullanılabilir:

- basınç ölçümü için tanımlanmış dairesel, küresel ya da konik yüzeylere ya da kancalara sahip elemanlar

- ya da kancalar, halkalar ya da sıkıştırma elemanları çekme ölçümleri için yük hücrelerine sabitlenebilir.

Her yük hücresi için bir maksimum kuvvet belirtilmiştir. Belirtilen hassasiyet bu yüke kadar elde edilebilir. Bu yükün yüzde birkaç oranında aşılması durumunda bazı yük hücresi tahrip olur.

Diğer kuvvet sensörlerinde yük hücresinin hasar görmeden aşırı yüke ne kadar dayanabileceğini tanımlayan bir faktör vardır. Nominal yük, sınır yükü ve kopma yükü arasında bir ayrım yapılabilir. Bazı kuvvet ölçüm cihazlarında kuvvet sensörlerinin herhangi bir hasar almaması için ayrı aşırı yük korumaya sahiptir. Yük hücresi seçiminde amaçlanan ölçüm aralığının haricinde aşırı yüklemelerin mümkün olup olmadığını da dikkate almak önemlidir.

Yük hücresi, tasarım ve ölçüm aralığına göre farklı hassasiyetlerde olabilir. Yüksek hassasiyeti bulunan yük hücrelerinin bu hassasiyete yalnızca belirtilen çevresel koşullar sağlandığında ulaştığı unutulmamalıdır. Hassasiyet ve ekran çözünürlüğü aynı değildir. Hem yük hücresi seçerken hem de ölçüm sonuçlarını değerlendirirken bu durum göz önünde bulundurulmalıdır.

Meyvelerin kontrol tartımı gibi bazı ölçümler için doğrudan görüntüleme yeterli olsa da ölçüm değerlerinin doğrudan depolanması ya da hesaplamalar için kullanılması söz konusu ise veri aktarabilen yük hücresi daha iyi bir seçim olacaktır. Basit yaylı yük hücresi ya da hidrolik yük hücresi, çubuk göstergeleri aracılığıyla bir dizi ölçümün maksimum değerini depolayabilir. Elektronik kuvvet sensörleri çok daha fazla imkan sunar. Bu sensörlerin ekrana ve değerlendirme ünitesine ilettikleri elektriksel değerler yardımıyla ölçüm değerleri depolanabilir, dönüştürülebilir ve aktarılabilir. Elektrikli yük hücresinden gelen sinyaller doğrudan değerlendirilebilir ve alarm vericilere ya da anahtarlama kontaklarına iletilebilir ya da bilgisayarda görüntülenebilir ve saklanabilir. Dinamik kuvvet ölçümünde yük hücresinin kuvvet değişikliklerini algılayabildiği zaman aralığı dikkate alınmalıdır.

Yük hücresi, ölçüm prensibine bağlı olarak yalnızca sıcaklık, nem, elektrik ya da manyetik yük ile ilgili belirli koşullar altında güvenilir şekilde çalışır. Elektriksel değerleri değerlendiren yük hücresi, mekanik yük hücrelerinden çok daha hassastır. Yük hücresi için dijital ekranlar da yalnızca uygun sıcaklık ve nem değerlerinde kullanılabilir. Bu nedenle, bazı uygulamalar için mekanik ve hidrolik sistemler en iyi seçimdir.

Minyatür yük hücresi, özellikle küçük boyutları ile ön plana çıkan kuvvet sensörleridir. Küçük boyutları sayesinde yük hücresi, çok az alanın olduğu yerlerde bile makinelere, üretim tesislerine ve test kurulumlarına entegre edilebilir. Bu nedenle, minyatür yük hücresi genellikle endüstriyel proseslerin izlenmesi ve kontrol edilmesine yönelik kuvvet ölçümlerinde ve yeni malzeme ve bileşenlerin test edilmesinde kullanılır.

Minyatür yük hücresi, düşük ya da yüksek kuvvetler için tasarlanabildiğinden minyatür boyutu ölçüm aralığına yönelik herhangi bir bilgi sağlamaz. 25 milimetrelik gövde çapı bulunan yük hücresi, takılan ölçüm hücresine bağlı olarak 50 Newton’a ya da 5.000 Newton’a kadar kuvvetler için kullanılabilir. Ölçüm hücresinin türüne göre sıkıştırma veya gerilim ya da her iki kuvvet yönü için statik veya dinamik ölçümler mümkündür.

Minyatür bir yük hücresinin kullanımındaki ön koşul, ölçülecek kuvvetin hedefe yönelik bir şekilde uygulanabilmesidir. Bu nedenle, kuvvet aktarımı için farklı değişkenlere sahip minyatür yük hücresi için farklı tasarımlar söz konusudur. Pek çok tür, disk şeklinde ya da silindiriktir. Bununla birlikte, gergi çubukları, bükme kirişleri, kuvvet ölçüm halkaları ya da S şeklinde versiyonlar da mevcuttur. Kuvvet, doğrudan temas yüzeyleri üzerinden ya da vida dişleri, delikler ya da halkalar üzerinden uygulanabilir.

Minyatür yük hücresinde planlanmamış bir yük durumu söz konusu olduğunda yük hücresinin hemen arızalanmaması için aşırı yük korumalı modeller geliştirilmiştir. Ek kuvvetlerin ölçüm yönüne enine etki ettiği uygulamalar için yeterli yanal yük stabilitesine sahip minyatür yük hücresi seçilmelidir. Bu tür yük hücresi, ölçüm hücresinin uygulanan yanal kuvvetler tarafından tahrip edilmeyeceği ve ölçülecek kuvvetin kaydedilmesi sırasında etkilenmeyeceği şekilde tasarlanmıştır. 

Güç kaynağı ve sinyal çıkışı için bağlantı kablosu da genelde minyatür yük hücresindeki kuvvet yönüne doksan derecelik bir açıyla düzenlenir. Diğer sensörlerde olduğu gibi bu kablolar hem uzunluk hem de tel sayısı bakımından farklılık gösterir. Gövde ve kablo genelde çok sağlam özellikte olduğundan normal çalışma malzemeleri ve nem gibi faktörlerden etkilenmezler. Bu da zorlu ortamlarda bile yüksek güvenilirlik sağlar.

Hidrolik terimi, Yunanca su anlamına gelen “hydro” ve boru anlamına gelen “aulos” kelimelerinden oluşmaktadır. Hidrolik yük hücresi, mühendislikte kuvvetleri, sinyalleri ve enerjiyi iletmek için sıvıların özelliklerini kullanan kapalı sistemler için kullanılır. Pek çok uygulamada su yerine özel hidrolik yağlar kullanılır.

Hidrolik yük hücresi, uygulanan kuvvetlerin hidrolik sıvıyı bir yay gövdesi üzerine bastırması ve böylece yapısal olarak belirtilen yönde hareket ettirmesi yoluyla basınç kuvvetlerini ölçer. Uygulanan kuvvet ne kadar güçlüyse yay da o kadar fazla bastırılır. Basınç bu şekilde yardımcı enerji olmadan ölçülebilir ve görüntülenebilir.

Ölçek göstergeli tamamen analog modellerin haricinde dijital göstergeli ya da arayüzlü pek çok hidrolik yük hücreleri mevcuttur. Basınç değeri, yük hücresi tarafından dijital ekranlar ya da standart arayüzler için elektronik sinyallere dönüştürülür. Analog yük hücresi, ölçüm serisinin en yüksek değerini tekrar sıfırlanana kadar hareket ettirilen çubuk gösterge aracılığıyla görüntüleyebilir. Öte yandan, hidrolik yük hücresi elektronik bir veri belleği ile donatılabilir.

Hidrolik yük hücresi genelde makineler üzerindeki basınç kuvvetlerini belirlemek için kullanılır. Analog modeller, takım tezgahları, presler, sıkıştırma cihazları ve vinçler üzerindeki kuvvetlerin ayarlanması için bireysel ölçümler için uygundur. Ayrıca, otomatik kapılar ve otomatik geçitlerdeki kapanma kuvvetlerinin öngörülen kontrolleri için de kullanılabilirler. Elektronik arayüze sahip hidrolik yük hücresi, tarım, endüstriyel üretim ya da enerji üretiminde proseslerin ya da dolum seviyelerinin kalıcı kontrolü için de kullanılabilir.