خلية تحميل

تحوّل خلية  قياس الحمل القوة ، كالشد أو الضغط أو عزم الدوران، إلى إشارة (ضغط كهربائي أو هوائي أو هيدروليكي، أو مؤشر إزاحة ميكانيكي) قابلة للقياس والتوحيد القياسي. وهي عبارة عن محوّل طاقة . ومع ازدياد القوة المؤثرة على خلية قياس الحمل، تتغير الإشارة بشكل متناسب. ومن أكثر أنواع خلايا قياس الحمل شيوعًا الخلايا الهوائية والهيدروليكية وخلايا قياس الإجهاد، المستخدمة في التطبيقات الصناعية. وتُعدّ موازين الحمامات التقليدية غير الإلكترونية مثالًا شائعًا على مؤشر الإزاحة الميكانيكية، حيث يُشار إلى الوزن (القوة) المؤثر بقياس انحراف النوابض التي تدعم منصة الحمل، والتي تُعتبر تقنيًا "خلية قياس حمل".

تُعدّ خلايا قياس الحمل المزودة بمقاييس الإجهاد النوع الأكثر شيوعًا في البيئات الصناعية. وهي مثالية نظرًا لدقتها العالية وتعدد استخداماتها وفعاليتها من حيث التكلفة. تتكون خلية قياس الحمل هيكليًا من جسم معدني تُثبّت عليه مقاييس الإجهاد. يُصنع الجسم عادةً من الألومنيوم أو الفولاذ السبائكي أو الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يجعله متينًا للغاية ولكنه يتمتع بمرونة محدودة. هذه المرونة هي ما يُطلق عليه مصطلح "العنصر الزنبركي"، والذي يُشير إلى جسم خلية قياس الحمل. عند تطبيق قوة على خلية قياس الحمل، يتشوه العنصر الزنبركي قليلًا، ويعود دائمًا إلى شكله الأصلي ما لم يتعرض لحمل زائد. ومع تشوه العنصر الزنبركي، تتغير أيضًا أشكال مقاييس الإجهاد. ويمكن قياس التغير الناتج في مقاومة مقاييس الإجهاد على شكل جهد كهربائي. يتناسب التغير في الجهد الكهربائي طرديًا مع مقدار القوة المُطبقة على الخلية، وبالتالي يمكن حساب مقدار القوة من خرج خلية قياس الحمل.

مقاييس الإجهاد

يتكون مقياس الإجهاد من سلك دقيق جدًا أو رقاقة معدنية، مرتبة على شكل شبكة ومثبتة على دعامة مرنة. عند تغيير شكل مقياس الإجهاد، يتغير مقاومته الكهربائية. يُرتب السلك أو الرقاقة في مقياس الإجهاد بطريقة تُحدث، عند تطبيق قوة في اتجاه واحد، تغيرًا خطيًا في المقاومة. تعمل قوة الشد على شد مقياس الإجهاد، مما يجعله أرق وأطول، وبالتالي تزداد مقاومته. أما قوة الضغط فتفعل العكس، حيث ينضغط مقياس الإجهاد، فيصبح أكثر سمكًا وأقصر، وتقل مقاومته. يُثبت مقياس الإجهاد على دعامة مرنة، مما يُسهل تركيبه على خلية قياس الحمل، ليعكس التغيرات الدقيقة المراد قياسها.

نظرًا لأن التغير في المقاومة الذي يقيسه مقياس إجهاد واحد ضئيل للغاية، يصعب قياس التغيرات بدقة. يؤدي زيادة عدد مقاييس الإجهاد المستخدمة مجتمعةً إلى تضخيم هذه التغيرات الصغيرة لتصبح قابلة للقياس بشكل أكبر. تُعد مجموعة من 4 مقاييس إجهاد مثبتة في دائرة كهربائية محددة تطبيقًا لجسر ويتستون .

جسر ويتستون

جسر ويتستون هو عبارة عن تكوين من أربعة مقاومات متوازنة مع تطبيق جهد إثارة معروف.

جهد الإثارة${\displaystyle V_{\text{EX}}}$ثابت معروف، وجهد الخرج${\displaystyle V_{\text{o}}}$يختلف ذلك باختلاف شكل مقاييس الإجهاد. إذا كانت جميع المقاومات متوازنة، أي${\displaystyle R1/R2=R4/R3}$، ثم${\displaystyle V_{\text{o}}}$تكون القيمة صفرًا. إذا تغيرت المقاومة في أحد المقاومات ، فإن${\displaystyle V_{\text{o}}}$وكذلك التغييرات. التغيير في${\displaystyle V_{\text{o}}}$يمكن قياس التيار الكهربائي وتفسيره باستخدام قانون أوم . ينص قانون أوم على أن التيار (${\displaystyle I}$التيار (المقاس بالأمبير) المار عبر موصل بين نقطتين يتناسب طرديًا مع الجهد${\displaystyle V}$عبر النقطتين. مقاومة (${\displaystyle R}$يُستخدم التيار (المقاس بالأوم) كثابت في هذه العلاقة، وهو مستقل عن التيار. ويُعبّر عن قانون أوم بالمعادلة التالية:${\displaystyle I=V/R}$عند تطبيقها على الأرجل الأربعة لدائرة جسر ويتستون، تكون المعادلة الناتجة هي $${\displaystyle V_{\text{o}}=\left({\frac {R3}{R3+R4}}-{\frac {R2}{R1+R2}}\right)V_{\text{EX}}.}$$

في خلية قياس الحمل، تُستبدل المقاومات بمقاييس الإجهاد وتُرتب في تشكيل شد وضغط متناوب. عند تطبيق قوة على خلية قياس الحمل، يتغير هيكل مقاييس الإجهاد ومقاومتها، و${\displaystyle V_{\text{o}}}$يتم قياسها. ومن البيانات الناتجة،${\displaystyle V_{\text{o}}}$يمكن تحديد ذلك بسهولة باستخدام المعادلة أعلاه. ^{[ 1 ]}

تعتمد تقنية السعة الرقمية على مستشعر خزفي لا تلامسي مُثبَّت داخل جسم خلية قياس الحمل. ولأن خلية قياس الحمل لا تحتوي على أجزاء متحركة، ولأن المستشعر الخزفي غير مُلامس لجسم الخلية، فإنها تتحمل أحمالًا زائدة عالية جدًا (تصل إلى 1000%)، وأحمالًا جانبية، والتواءً، وفولتية لحام شاردة. ^{[ 3 ]} وهذا يُسهِّل تركيب خلايا قياس الحمل دون الحاجة إلى أدوات تركيب مُكلفة ومعقدة، أو قضبان تثبيت، أو أجهزة حماية من الحمل الزائد، مما يُلغي الحاجة إلى الصيانة.

صُممت خلية قياس الحمل الهوائية لتنظيم ضغط الموازنة تلقائيًا. يُطبَّق ضغط الهواء على أحد طرفي الغشاء، ويتسرب عبر الفوهة الموجودة في أسفل الخلية. يُثبَّت مقياس ضغط على الخلية لقياس الضغط داخلها. يؤثر انحراف الغشاء على تدفق الهواء عبر الفوهة، وكذلك على الضغط داخل الحجرة.

تستخدم خلية قياس الحمل الهيدروليكية ترتيبًا تقليديًا للمكبس والأسطوانة، حيث يوضع المكبس داخل غشاء مرن رقيق. لا يلامس المكبس خلية قياس الحمل مباشرةً. وتُستخدم محددات ميكانيكية لمنع إجهاد الغشاء عند تجاوز الأحمال حدًا معينًا. تُملأ خلية قياس الحمل بالزيت بالكامل. عند تطبيق الحمل على المكبس، تؤدي حركة المكبس والغشاء إلى زيادة ضغط الزيت. يُنقل هذا الضغط بعد ذلك إلى مقياس ضغط هيدروليكي عبر خرطوم عالي الضغط. ^{[ 4 ]} يستشعر أنبوب بوردون الخاص بالمقياس الضغط ويسجله على المؤشر. ولأن هذا المستشعر لا يحتوي على مكونات كهربائية، فهو مثالي للاستخدام في المناطق الخطرة. ^{[ 5 ]} تشمل التطبيقات النموذجية لخلية قياس الحمل الهيدروليكية وزن الخزانات والصوامع والقواديس. ^{[ 6 ]} على سبيل المثال، تتميز خلية قياس الحمل الهيدروليكية بمقاومتها للفولتية العابرة (البرق)، لذا قد تكون هذه الأنواع من خلايا قياس الحمل أكثر فعالية في البيئات الخارجية. وتُعد هذه التقنية أغلى ثمنًا من أنواع خلايا قياس الحمل الأخرى. إنها تقنية أكثر تكلفة، وبالتالي لا يمكنها المنافسة بفعالية على أساس تكلفة الشراء. ^{[ 7 ]}

• التركيب الميكانيكي: يجب تركيب الخلايا بشكل صحيح. يجب أن تمر قوة الحمل بالكامل عبر الجزء من خلية الحمل حيث يتم استشعار تشوهها. قد يتسبب الاحتكاك في حدوث إزاحة أو تخلف . قد يؤدي التركيب الخاطئ إلى قيام الخلية بتسجيل قوى على طول محور غير مرغوب فيه، والذي قد يرتبط جزئيًا بالحمل المستشعر، مما يُربك الفني.
• التحميل الزائد: ضمن نطاق تحملها، تتشوه خلية قياس الحمل بشكل مرن وتعود إلى شكلها الأصلي بعد إزالة الحمل. في حال تعرضها لأحمال تتجاوز الحد الأقصى المسموح به، قد تتشوه مادة خلية قياس الحمل تشوهًا لدنًا ؛ مما قد يؤدي إلى انحراف الإشارة، أو فقدان الخطية، أو صعوبة أو استحالة المعايرة، أو حتى تلف ميكانيكي لعنصر الاستشعار (مثل الانفصال أو التمزق). تتميز خلايا قياس الحمل السعوية، مقارنةً بمقاييس الإجهاد، بمقاومة أكبر للتحميل الزائد، نظرًا لمبدأ القياس غير التلامسي.
• مشاكل التوصيلات: قد ترتفع مقاومة الأسلاك الموصلة بالخلية، مثلاً بسبب التآكل. أو قد تتشكل مسارات تيار متوازية نتيجة لتسرب الرطوبة. في كلتا الحالتين، يحدث انحراف في الإشارة (إلا إذا تأثرت جميع الأسلاك بالتساوي) وتفقد دقتها.
• التلف الكهربائي: قد تتلف خلايا قياس الحمل بفعل التيار المستحث أو الموصل. كما أن الصواعق التي تصيب الهيكل، أو اللحام القوسي الذي يُجرى بالقرب من الخلايا، ^{[ 8 ]} قد يُجهد المقاومات الدقيقة لمقاييس الإجهاد بشكل مفرط، مما يؤدي إلى تلفها أو تدميرها. عند إجراء اللحام بالقرب منها، يُنصح بفصل خلية قياس الحمل وتوصيل جميع أطرافها بالأرض، بالقرب من الخلية نفسها. قد تتسبب الفولتية العالية في اختراق العازل بين الركيزة ومقاييس الإجهاد.
• اللاخطية : تميل خلايا قياس الحمل إلى اللاخطية عند أدنى نطاق قياساتها. يصبح هذا الأمر بالغ الأهمية بالنسبة للخلايا التي تستشعر نطاقات واسعة جدًا، أو التي تتمتع بقدرة تحميل فائضة كبيرة لتحمل الأحمال الزائدة أو الصدمات المؤقتة (مثل مشابك الحبال). قد يلزم المزيد من النقاط لمنحنى المعايرة .
• خصوصية التطبيق: خلية الحمل التي لا تتناسب جيدًا مع المقدار والنوع المحدد للضغط ستكون ذات دقة ووضوح وموثوقية ضعيفة.

تتعرض جميع خلايا قياس الحمل لظاهرة "الرنين" عند تعرضها لتغيرات مفاجئة في الحمل. ويعود ذلك إلى سلوكها الشبيه بالنابض، حيث يجب أن تتشوه لقياس الأحمال. لذا، يجب أن تتمتع خلية قياس الحمل ذات الصلابة المحدودة بسلوك شبيه بالنابض، فتظهر اهتزازات بترددها الطبيعي . وقد ينتج عن الرنين نمط بيانات متذبذب. ويمكن كبح الرنين بشكل محدود بوسائل سلبية. وبدلاً من ذلك، يمكن لنظام التحكم استخدام مشغل لتخميد رنين خلية قياس الحمل بشكل فعال. توفر هذه الطريقة أداءً أفضل، ولكنها تزيد من التعقيد بشكل ملحوظ.

تُستخدم خلايا قياس الوزن في أنواع عديدة من أدوات القياس، مثل موازين المختبرات، والموازين الصناعية، وموازين المنصات ^{[ 11 ] [ 12 ]} ، وآلات الاختبار الشاملة ^{[ 13 ]} . ومنذ عام 1993، قامت هيئة المسح البريطانية لأنتاركتيكا بتركيب خلايا قياس الوزن في أعشاش الألياف الزجاجية لوزن فراخ طيور القطرس ^{[ 14 ]} . وتُستخدم هذه الخلايا في مجموعة واسعة من الأدوات، مثل جهاز الهزاز ذي الأعمدة السبعة، والذي يُستخدم غالبًا لضبط سيارات السباق. ومن الاستخدامات الشائعة الأخرى في سباقات المحاكاة ، حيث تتمثل ميزة خلية قياس الوزن على مقياس الجهد في أن قوة الكبح المُحاكاة تعتمد على قوة المستخدم على الدواسة، وليس على موضعها. كما تُستخدم خلايا قياس الوزن على نطاق واسع في معالجة الأغذية، والتخزين، والخدمات اللوجستية، والتصنيع بشكل عام، لتطبيقات مثل التعبئة والتغليف، ووزن المنصات، والتحقق من الشحن، ومراقبة العمليات.

تُستخدم خلايا قياس الوزن بشكل شائع لقياس الوزن في البيئات الصناعية. ويمكن تركيبها على القواديس والمفاعلات وغيرها للتحكم في قدرتها على تحمل الوزن، وهو أمر بالغ الأهمية في كثير من الأحيان للعمليات الصناعية. يجب تحديد بعض خصائص أداء خلايا قياس الوزن ومواصفاتها لضمان قدرتها على أداء الخدمة المتوقعة. ومن بين هذه الخصائص التصميمية ما يلي:

• خطأ مُجمّع
• الحد الأدنى لفترة التحقق
• دقة

تساعد المواصفات الكهربائية والفيزيائية والبيئية لخلية قياس الحمل في تحديد التطبيقات المناسبة لها. وتشمل المواصفات الشائعة ما يلي: ^{[ 15 ]}

• خرج النطاق الكامل (FSO): خرج إلكتروني معبر عنه بوحدة mV/V. تم قياسه عند النطاق الكامل.
• الخطأ المُجمّع: هو النسبة المئوية من إجمالي خرج الطاقة التي تُمثل أقصى انحراف عن الخط المستقيم المرسوم بين حالة عدم التحميل والحمل عند السعة المُقننة. ويتم قياسه غالبًا أثناء انخفاض الأحمال وزيادتها.
• اللاخطية: أقصى انحراف لمنحنى المعايرة عن الخط المستقيم المرسوم بين السعة المقدرة والحمل الصفري. يتم قياسها عند زيادة الحمل، ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية من خرج النطاق الكامل.
• التخلف المغناطيسي: أقصى فرق بين إشارات خرج خلية الحمل لنفس الحمل المطبق. يمكن الحصول على القياس الأول عن طريق تقليل الحمل من الخرج المقنن، والثاني عن طريق زيادة الحمل من الصفر.
• قابلية التكرار: أقصى فرق بين قياسات الخرج لأحمال متكررة في ظل ظروف متطابقة. تُقاس كنسبة مئوية من الخرج المقنن.
• التوازن الصفري (الإزاحة): قراءة خرج خلية قياس الحمل عند الإثارة المقدرة في حالة عدم وجود حمل. الانحراف في الخرج بين قياس الصفر الحقيقي وقيمة خلية قياس الحمل الفعلية في حالة عدم وجود حمل، معبراً عنه كنسبة مئوية من خرج النطاق الكامل.
• نطاق درجة الحرارة المُعَوَّض: هو نطاق درجة الحرارة الذي تُعَوَّض فيه خلية قياس الحمل لضمان توازن الصفر وقيمة الخرج المُقَدَّرة ضمن الحدود المُحدَّدة. يُعَبَّر عنه بوحدة فهرنهايت أو مئوية.
• نطاق درجة حرارة التشغيل : نطاق درجات الحرارة القصوى التي يمكن أن تعمل فيها خلية قياس الحمل دون أي آثار سلبية دائمة على أي من خصائص أدائها. يُعبر عنه بوحدة فهرنهايت أو مئوية.
• تأثير درجة الحرارة على المخرجات: تعديل قراءات المخرجات الناتج عن درجة حرارة خلية الحمل. يُعبّر عنه كنسبة مئوية من المخرجات الكاملة لكل درجة فهرنهايت أو مئوية.
• تأثير درجة الحرارة على الصفر: التغير في ميزان الصفر الناتج عن تغيرات درجة الحرارة المحيطة. يُعبر عنه كنسبة مئوية من خرج النطاق الكامل لكل درجة فهرنهايت أو مئوية.
• مقاومة الدخل: مقاومة دخل دائرة جسر خلية الحمل. تُقاس عند أطراف الإثارة الموجبة والسالبة بدون تطبيق حمل. تُقاس بالأوم.
• مقاومة الخرج: مقاومة خرج دائرة جسر خلية الحمل. تُقاس عند أطراف الإثارة الموجبة والسالبة بدون تطبيق حمل. تُقاس بالأوم.
• مقاومة العزل: هي المقاومة المقاسة على طول المسارات بين: دائرة الجسر وعنصر المحول، ودائرة الجسر وغلاف الكابل، وعنصر المحول وغلاف الكابل. تُقاس عادةً عند 50 فولت في ظل ظروف الاختبار القياسية.
• جهد الإثارة الموصى به: أقصى جهد إثارة موصى به للمحول لكي يعمل ضمن مواصفاته. يُعبر عنه بوحدة فولت تيار مستمر (VDC).
• طول الكابل: طول الكابل القياسي الذي تتم معايرة خلية قياس الحمل بناءً عليه. يؤثر طول الكابل على كيفية معايرة خلية قياس الحمل.
• الحمل الزائد الآمن: هو أقصى حمل يمكن تطبيقه على خلية قياس الحمل دون إحداث تأثيرات دائمة على مواصفات أدائها. ويُقاس كنسبة مئوية من خرج النطاق الكامل.
• أقصى حمل زائد: أقصى حمل يمكن تحمله دون التسبب في انهيار هيكلي.
• المادة: المادة التي تشكل عنصر الزنبرك في خلية الحمل.

تُعدّ خلايا قياس الوزن جزءًا لا يتجزأ من معظم أنظمة الوزن في الصناعات الصناعية والطيران والسيارات، حيث تتعرض للاستخدام اليومي المكثف. ومع مرور الوقت، قد تتعرض هذه الخلايا للانحراف والتقادم وعدم المحاذاة؛ لذا، يلزم معايرتها بانتظام لضمان دقة النتائج. ^{[ 16 ]} يُحدد معيار ISO 9000 ومعظم المعايير الأخرى فترة قصوى تتراوح بين 18 شهرًا وسنتين بين عمليات إعادة المعايرة، وذلك تبعًا لمستوى تدهور خلية قياس الوزن. ويُعتبر إجراء المعايرة سنويًا أفضل ممارسة لدى العديد من مستخدمي خلايا قياس الوزن لضمان الحصول على أدق القياسات.

تستخدم اختبارات المعايرة القياسية الخطية والتكرارية كدليل إرشادي للمعايرة، حيث تُستخدم كلتاهما لتحديد الدقة. تُجرى المعايرة تدريجيًا بدءًا من العمل بترتيب تصاعدي أو تنازلي. على سبيل المثال، في حالة خلية تحميل 60 طنًا، يمكن استخدام أوزان اختبار محددة تقيس بزيادات 5، 10، 20، 40، و60 طنًا؛ وعادةً ما تكون عملية معايرة من خمس خطوات كافية لضمان معايرة الجهاز بدقة. يُوصى بتكرار إجراء المعايرة المكون من خمس خطوات مرتين أو ثلاث مرات للحصول على نتائج متسقة. ^{[ 17 ]}

• مقياس زنبركي
• مستشعر التمدد