מד המתח – כל מה שצריך וחייב לדעת

מד המתח
מד המתח נמצא בשימוש שנים רבות והוא אלמנט החישה הבסיסי לסוגים רבים של חיישנים, כולל חיישני לחץ, תאי עומס, חיישני מומנט, חיישני מיקום וכו ‘.
רוב מדדי המתח הם סוגי נייר כסף/ בדיל, זמינים במבחר רחב של צורות וגדלים שיתאימו ליישומים שונים. הם מורכבים מדפוס של רדיד התנגדות המותקן על חומר גיבוי. הם פועלים על פי העיקרון שככל שהרדיד נתון למתח, ההתנגדות של נייר הכסף משתנה בצורה מוגדרת.

מד המתח מחובר למעגל גשר וויטסטון עם שילוב של ארבעה מודדים פעילים (גשר מלא), שני מודדים (חצי גשר),
או, במצב שהוא פחות נפוץ, מד יחיד (רבע גשר). במעגלי חצי ורבע, הגשר הושלם עם נגדים מדויקים.

גשר וויטסטון השלם מופעל על ידי אספקת DC יציבה ועם אלקטרוניקה מתנה נוספת, ובכך מאפשר איפוס בנקודת המדידה האפסית. ככל שמופעל לחץ על מד המתח המודבק, מתרחש שינוי התנגדותי ומאזן את גשר וויטסטון.

התוצאה היא פלט אות יחיד הקשור לערך הלחץ. מכיוון שערך האות קטן, (בדרך כלל כמה מיליוולט) אלקטרוניקת האות המתנה מספק הגברה כדי להגדיל את רמת האות ל -5 עד 10 וולט, רמה המתאימה ליישום במערכות איסוף הנתונים החיצוניות כגון הקלטות או מערכות רכישת נתונים וניתוח PC.

כמה מדפוסי המד הרבים הזמינים מוצעים על ידי החברות השונותת מוצעים בטווחים נרחבים של דפוסים שונים המתאימים למגוון רחב של יישומים במחקר ובפרויקטים תעשייתיים הם גם מספקים את כל האביזרים הדרושים, כולל חומרי הכנה, דבקי הצמדה, תגי חיבורים, כבלים וכו ‘
הצמדת מדדי המתח הם מיומנות מקצועית וקורסי הכשרה מוצעים על ידי מספר ספקים. ישנן גם חברות המציעות שירותי הצמדה וכיול, או כשירות פנימי או באתר עצמו.

עוד על מד המתח …

אם רצועת מתכת מוליכה נמתחת, היא תהיה דקה וארוכה יותר, שני המשתנים הם כתוצאה מעלייה בהתנגדות החשמלית מקצה לקצה. לעומת זאת, אם רצועת מתכת מוליכה ממוקמת תחת כוח דחיסה (ללא כריכה), היא תתרחב ותתקצר. אם מתח זה נשמר בגבול האלסטי של רצועת המתכת (כך שהפס לא יתעוות לצמיתות), ניתן להשתמש ברצועה כאלמנט מדידה לכוח פיזי, כמות הכוח שהופעל ממדידת התנגדותו.

מכשיר כזה נקרא מד מעוות. במדי מתח משתמשים לעתים קרובות במחקר ופיתוח הנדסת מכונות למדידת הלחצים שנוצרים על ידי מכונות. בדיקת רכיבי מטוסים היא תחום אחד של יישום, רצועות זעירות של מד המתח המודבקות לחברים מבניים, קישורים/חיבורים וכל רכיב קריטי אחר של מסגרת אוויר בכדי למדוד לחץ. רוב מדדי המתח קטנים מבול דואר, והם נראים בערך כך:

מוליכי מד המתח דקיקים מאוד: אם עשויים מחוט עגול, בקוטר בערך של 1/1000 אינץ ‘. לחלופין, מוליכים של מד המתח עשויים להיות רצועות דקות של סרט מתכתי שהונחו על חומר מצע לא מוליך הנקרא המוביל. הצורה האחרונה של מד המתח מיוצגת באיור הקודם. השם “מד מלוכד” ניתן למדדי מתיחה המוצמדים למבנה גדול יותר המצוי במתח (הנקרא דגימת הבדיקה). המשימה של הצמדת מדדי המתח לבדיקת דגימות עשויה להיראות פשוטה מאוד, אך היא לא. “מדידה” היא מלאכה בפני עצמה, חיונית בהחלט להשגת מדידות לחץ מדויקות ויציבות. אפשר גם להשתמש בחוט מד שלא מותקן שנמתח בין שתי נקודות מכניות למדידת המתח, אך לטכניקה זו יש מגבלות.

התנגדות מד לחץ אופיינית נעה בין 30 אוהם ל -3 kOhm קילו אוהם (ללא לחץ). התנגדות זו עשויה לשנות רק שבריר אחוז מטווח הכוח המלא של המד, בהתחשב במגבלות שמטילים הגבולות האלסטיים של החומר המודד ושל דגימת הבדיקה. עוצמות גדולות מספיק שביכולתן לגרום לשינויים גדולים יותר בהתנגדות עשויות לעוות את דגימת הבדיקה ו / או את מוליכי המדידה עצמם, ובכך להרוס את המד כמתקן מדידה. לפיכך, על מנת להשתמש במד הרכבת ככלי מעשי, עלינו למדוד שינויים קטנים במיוחד שינויים בהתנגדות בדיוק גבוה.

דיוק כה תובעני דורש מעגל מדידת גשרים. בניגוד לגשר וויטסטון שהוצג בפרק האחרון תוך שימוש בגלאי איזון אפס ומפעיל אנושי ששומר על מצב של איזון, מד לחץ מגשר מציין עומס מודד את הלחץ על פי מידת חוסר האיזון, ומשתמש בוולטמטר מדויק במרכז הגשר כדי לספק מדידה מדויקת של חוסר איזון זה:

בדרך כלל, זרוע הריאוסטט (פוטנציומטר) של הגשר (R2 בתרשים) מוגדרת לערך השווה להתנגדות מד המתח ללא הפעלת כוח. שתי זרועות היחס של הגשר (R1 ו- R3) מוגדרות כשוות זו לזו. לפיכך, ללא הפעלת כוח על מד המתח, הגשר יהיה מאוזן בצורה סימטרית ומד המתח יציין אפס וולט, המייצג אפס כוח על מד המתח.

מכיוון שמד המתח דחוס או נמתח, ההתנגדות שלו תפחת או תגדל, בהתאמה, ובכך תגרום לחוסר איזון של הגשר את הגשר ותייצר אינדיקציה במד המתח. סידור זה, עם אלמנט יחיד בגשר שמשנה את ההתנגדות בתגובה למשתנה הנמדד (כוח מכני), ידוע כמעגל רבע גשר.

מכיוון שהמרחק בין מד המתח לשלושת ההתנגדות האחרות במעגל הגשר עשוי להיות משמעותי, להתנגדות החוטים יש השפעה משמעותית על פעולת המעגל. כדי להמחיש את ההשפעות של התנגדות חוטים, אראה את אותו תרשים סכמטי, אך אוסיף שני סמלי נגדים בסדרה עם מד המתח לייצוג החוטים:

ההתנגדות של מד המתח (Rgauge) אינה ההתנגדות היחידה הנמדדת: התנגדות התיל Rwire1 ו- Rwire2, הם בסדרה עם Rgauge, תורם גם להתנגדות של החצי התחתון של הנגד המשתנה של הגשר, וכתוצאה מכך תורם לאינדיקציה של מד המתח. זה, כמובן, יתפרש בצורה שיקרית על ידי המונה כמתח פיזי על המד.

אמנם לא ניתן לבטל לחלוטין את האפקט הזה בתצורה זו, אך ניתן למזער אותו בתוספת חוט שלישי, תוך חיבור הצד הימני של מד המתח ישירות לחוט העליון של מד המתח:

מכיוון שהחוט השלישי כמעט אינו נושא זרם (עקב ההתנגדות הפנימית הגבוהה ביותר של מד הוולטמטר), התנגדותו לא תוריד מתח משמעותי. שימו לב כיצד “עקפו” את ההתנגדות של החוט העליון (Rwire1) כעת, כאשר הוולטמטר עכשיו מתחבר ישירות למסוף העליון של מד המתח, ומשאיר רק את התנגדות החוט התחתון (Rwire2) כדי לתרום כל התנגדות תועה בסדרה עם המד. לא פיתרון מושלם, כמובן, אבל טוב כפליים מהמעגל האחרון!

יש דרך, עם זאת, להפחית את שגיאת התנגדות החוט הרבה מעבר לשיטה שתוארה, וגם לסייע בהפחתת שגיאת מדידה אחרת בגלל הטמפרטורה. מאפיין מצער של מדדי המתח הוא זה של שינוי התנגדות עם שינויים בטמפרטורה.

זהו מאפיין המשותף לכל המוליכים, חלקם יותר מאחרים. לפיכך, מעגל הגשר הרבעוני שלנו כמוצג (עם שניים או עם שלושה חוטים המחברים את המד לגשר) פועל כמדחום באותה מידה כמו שהוא מחוון מתח.
אם כל מה שאנחנו רוצים לעשות זה למדוד מתח, זה לא טוב. אנו יכולים להתעלות מעל בעיה זו, על ידי שימוש במד מעוות “דמה” במקום R2, כך ששני האלמנטים של הנגד המשתנה ישנו את ההתנגדות באותה פרופורציה כאשר הטמפרטורה תשתנה, וכך נבטל את ההשפעות של שינוי הטמפרטורה:

הנגדים R1 ו- R3 הם בעלי ערך התנגדות שווה, ומדי המתח זהים זה לזה. ללא כוח מופעל, הגשר צריך להיות במצב מאוזן לחלוטין ומד המתח צריך לרשום 0 וולט. שני המדדים קשורים לאותה דגימת בדיקה, אך רק אחד ממוקם במיקום ובכיוון כך שייחשף למאמץ פיזי (המד הפעיל). המד השני הוא מבודד מכל לחץ מכני, ופועל רק כמכשיר לפיצוי טמפרטורה (מד ה”דמה “).אם הטמפרטורה משתנה, שתי התנגדויות המודד ישתנו באותו אחוז, ומצב האיזון של הגשר יישאר ללא השפעה.

רק התנגדות דיפרנציאלית (הבדל התנגדות בין שני מדדי המתח) המיוצרים בכוח פיזי על דגימת הבדיקה יכולים לשנות את האיזון של הגשר.

התנגדות הכבל אינה משפיעה על דיוק המעגל כמו בעבר, מכיוון שהכבלים המחברים את שני מדדי המתח לגשר הם בערך באורך שווה. לכן החלקים העליונים והתחתונים של הנגד המשתנה של הגשר מכילים אותה מידה של עמידות מפוזרת, והשפעותיהם נוטות לבטל:

למרות שיש כיום שני מדדי מתח במעגל הגשר, רק אחד מגיב למתח מכני, ולכן אנחנו עדיין מתייחסים לסידור זה כאל רבע גשר. עם זאת, אם היינו לוקחים את מד המתח העליון ונמקם אותו כך שהוא ייחשף לכוח ההפוך מהמדד התחתון (כלומר כאשר המדד העליון יהיה דחוס, המד התחתון יימתח, ולהפך), יהיו לנו שני מדדים המגיבים למתח, והגשר יגיב יותר לכוח המופעל עליו.

ניצול זה ידוע כחצי גשר. מכיוון ששני מדדי המתח יגדילו או יפחיתו את ההתנגדות באותה פרופורציה בתגובה לשינויים בטמפרטורה, ההשפעות של שינוי הטמפרטורה נותרו מבוטלות והמעגל יסבול משגיאת מדידה מינימלית
כתוצאה מהטמפרטורה:

דוגמה לאופן בו ניתן להצמיד זוג מדדי לחץ לדגימת בדיקה בכדי לקבל אפקט זה:

ללא הפעלת כוח על דגימת הבדיקה, שני מדדי המתח הם בעלי התנגדות שווה ומעגל הגשר מאוזן. עם זאת, כאשר כוח יורד מוחל כלפי מטה על הקצה החופשי של הדגימה, הוא יתכופף כלפי מטה, וימתח את מד 1 ואת הדחיסה של מד 2 בו זמנית:
ביישומים בהם ניתן לקשור זוגות משלימים כאלה של מדדי המתח לדגימת הבדיקה, ייתכן שיהיה יתרון להפוך את כל ארבעת האלמנטים של הגשר ל”פעילים ” לרגישות רבה עוד יותר.

זה נקרא מעגל גשר מלא:

תצורות חצי גשר וגשר מלא מעניקות רגישות רבה יותר מאשר מעגל רבע הגשר, אך לעיתים קרובות לא ניתן להצמיד זוגות משלימים של מדדי המתח לדגימת הבדיקה. לפיכך, מעגל רבע הגשר משמש לעתים קרובות במערכות מדידת הלחץ.

במידת האפשר, תצורת הגשר המלא היא הטובה ביותר לשימוש. זה נכון לא רק משום שהוא רגיש יותר מהאחרים, אלא משום שהוא לינארי ואילו האחרים אינם. מעגלי רבע-גשר וחצי-גשר מספקים אות פלט (חוסר איזון) היחסי בערך לכוח מד המתח המופעל.

הלינאריות, או הפרופורציונליות, של מעגלי הגשר האלה היא טובה ביותר כאשר כמות ההתנגדות עקב הכוח המופעל קטנה מאוד בהשוואה להתנגדות הנומינלית של המדד(ים). עם גשר מלא, לעומת זאת, מתח המוצא פרופורציונלי ישירות לכוח המופעל, ללא אמדן (בתנאי ששינוי ההתנגדות הנגרם על ידי הכוח המופעל שווה לכל ארבעת מדדי המתח!).

בשונה מגשר וויטסטון וקלווין, המספקים מדידה במצב של איזון מושלם ולכן מתפקדים ללא קשר לוולטג’ במקור, כמות מתח המקור (או “גירוי”) חשובה בגשר לא מאוזן כזה. לכן, גשרי מד המתח מדורגים במיליוולט של חוסר איזון המיוצר לכל וולט גירוי, ליחידת כוח.

דוגמה אופיינית למד מעוות מהסוג המשמש למדידת כוח בסביבות תעשייתיות הוא 15 mV/V ב 1000 ליברה (פאונד). כלומר, בכוח שהופעל ב – 1000 פאונד בדיוק (דחיסה או מתיחה), הגשר לא יתאזן ב -15 מיליוולט לכל וולט של מתח גירוי. שוב, נתון כזה מדויק אם מעגל הגשר פעיל לחלוטין (ארבעה מדדי לחץ פעילים, אחד בכל זרוע הגשר), אך רק קרוב לסידורי חצי הגשר ורבע הגשר.

ניתן לרכוש מדדי לחץ כיחידות שלמות, עם שני אלמנטים של מד-מתיחה ונגדי גשר בבית/תושבת אחד, אטומים ועטופים להגנה מפני האלמנטים, ומצוידים בנקודות הידוק מכניות לחיבור למכונה או למבנה. חבילה כזו נקראת בדרך כלל תא עומס.
התקנת מד לחץ היא ככל הנראה החלק המכריע ביותר במדידת הלחצים

התקנה באיכות ירודה עלולה לפסול את הבדיקות שלכם ותעלה זמן וכסף. הצמדת מדדי המתח דורשת מיומנות, תשומת לב לפרטים וסבלנות, כמו גם כלים ודבקים נכונים. כדי לבדוק כיצד לעשות זאת, הסתכל בסרטון זה