Вибір відповідного з’єднувального кабелю для тензометричного датчика

З’єднувальні кабелі для тензометричних датчиків — що потрібно враховувати?

Сигнальні кабелі, які використовуються для підключення тензометричних датчиків до підсилювального модуля, повинні відповідати багатьом вимогам. Успіх вимірювання, так само як і надійність машин, що працюють на основі вимірювання сили, значною мірою залежить від правильного вибору кабелю. Тому під час проєктування вимірювальної системи важливо враховувати не лише вибір датчика, але й тип кабелю — навіть якщо це здається менш важливим, ніж визначення невизначеності вимірювання або вибір інтерфейсів.

Чим відрізняються вимірювальні кабелі від звичайних?

Щоб відповісти на це питання, спочатку розглянемо порядок величини вихідної напруги тензодатчиків.

Вихідний сигнал тензометричного датчика задається у мВ/В. Компанія HBK виробляє датчики, які при номінальному навантаженні забезпечують вихідний сигнал від 0,5 мВ/В до понад 4 мВ/В залежно від типу.

Наприклад, датчик сили U10F/250 кН формує сигнал 2 мВ/В при навантаженні 250 кН. Зазвичай датчики сили живляться напругою 5 В. Отже, при номінальному навантаженні формується вихідна напруга 10 мВ, яку сучасні підсилювачі можуть перетворювати з роздільною здатністю понад 500 000 відліків. Один відлік у такому випадку відповідає зміні напруги 0,02 мкВ, що еквівалентно приблизно 0,5 Н.

Основне завдання — передати цей надзвичайно малий сигнал від датчика до підсилювача без втрат і перешкод. Для цього сигнальні кабелі повинні відповідати таким вимогам:

• Комплексне високоефективне екранування для роботи в електромагнітно складних середовищах
• Низька ємність і малий опір лінії (щоб уникнути утворення RC-ланцюга та фазових і амплітудних спотворень)
• Ємнісна симетрія провідників
• Висока геометрична симетрія для компенсації електромагнітних впливів

Тензометричний сигнальний кабель складається з чотирьох (або шести) жил. Між жилами виникає паразитна ємність, що залежить від конструкції та довжини кабелю. В ідеалі всі ємності повинні бути однаковими й мінімальними.

Зазвичай рекомендується використовувати спеціалізовані кабелі, розроблені саме для тензометричних вимірювань.

Шестипровідна схема

У 6-провідній конфігурації додаткові вимірювальні лінії контролюють напругу безпосередньо на мосту та компенсують падіння напруги в лініях живлення. Для цього потрібні шість окремих провідників.

Навіщо існують різні типи кабелів?

Метрологічні вимоги — лише частина задачі. У реальних умовах також потрібні:

• Стійкість до руху в кабельних ланцюгах
• Підвищена термостійкість
• Висока точність для еталонних вимірювань

Один кабель не може одночасно задовольнити всі ці вимоги.

Тому HBK пропонує три основні типи кабелів для датчиків сили:

Тип 131

Тонкий кабель (менше 4 мм), придатний для жорстких умов експлуатації та кабельних ланцюгів.
Перевага — механічна гнучкість.
Недолік — більша ємність і опір, тому не рекомендований для довгих ліній і високих несучих частот (4,8 кГц). Для швидких вимірювань довжина не повинна перевищувати 10 м.

Тип 139B

Діаметр 7,5 мм, подвійне екранування (зовнішнє та екранування пар).
Має дуже низьку ємність і придатний для довгих ліній (≥ 100 м) та високих несучих частот.
Оптимальний для високоточних еталонних вимірювань.
Недолік — висока жорсткість і великий радіус вигину.

Тип 157

Компромісний варіант між двома попередніми.
Має низьку ємність і опір, менш жорсткий, придатний для високотемпературних вимірювань.

Додаткові рекомендації

• Кабелі не призначені для прокладання в ґрунті
• Необхідно дотримуватися температурних обмежень
• Хімічна стійкість перевіряється практичними випробуваннями

Під час самостійного монтажу роз’єму важливо забезпечити надійне заземлення екрана. В системах HBK екран кабелю гальванічно з’єднаний із корпусом датчика та підсилювача, формуючи клітку Фарадея та забезпечуючи високий рівень захисту від електромагнітних перешкод.

Якщо датчик і підсилювач мають різні електричні потенціали, в екрані можуть виникати компенсувальні струми, що призводить до значних перешкод. Тому корпус підсилювача та датчик повинні бути з’єднані низькоомним провідником.

Для великих довжин кабелю рекомендується використовувати подовжувачі або кабелі, що постачаються в бухтах, особливо якщо випробувальний стенд періодично модифікується.