Gerinim pulları “orantısal” dönüştürücülerdir. Sinyal çıkışı, güç sağlamak için uygulanan besleme voltajıyla orantılıdır. Gerinim pulları çok çeşitli voltaj değerleriyle çalışır. Tipik besleme voltajları, 1-10 V aralığında değişir. Ama gerinim pulları için “en iyi” voltaj beslemesi nedir?
Uygun bir besleme voltaj seviyesi seçerken, iki karşıt husus vardır:
- Yüksek Voltaj – Yüksek bir voltaj beslemesi, ölçümün sinyal / gürültü oranını artırır.
- Düşük Voltaj – Düşük voltaj beslemesi, gerinim pulu ölçümündeki ısıl kaynaklı hataları azaltır.
Bu nedenle; yüksek voltaj, bir sinyalden gürültü noktasına göre bir gerinim pulu ölçümünü geliştirirken, termal olarak uyarılan hatalar oluşturabilir. Kaliteli bir ölçüm sağlamak için uygun bir denge koşulu gereklidir.
Bu makalede, sinyal seviyelerinin ve termal hataların yanı sıra uygun voltaj değerlerinin seçilmesi için stratejiler de tartışılmaktadır.
Sinyal Seviyeleri
Gerinim puluna verilen voltaj ne kadar yüksek olursa, belirli bir yük için ölçüm sırasında gerinim pulundan geçen sinyal o kadar yüksek olur.
Bu, elektromanyetik alan gibi sorunların önlenmesine yardımcı olur. Gerinim pulu sinyalleri, tipik olarak mikrovolt aralığındadır ve telleri elektriksel gürültü ile kolayca ezilebilirler. Örneğin, güç hatlarının yakınında bulunan gerinim pulu telleri (Şekil 1) elektriksel olarak indüklenen sinyalleri kolaylıkla alabilirler.
Yüksek bir besleme voltajı kullandığımızda tellerdeki gerilme sinyalleri de daha kuvvetli olacaktır ve herhangi bir elektromanyetik gürültünün sinyal üzerinde daha az bir etkisi olacaktır.
Genel olarak, termal sapma veya köprü yanması gibi ek sorunların ortaya çıkmaması durumunda daha yüksek bir voltaj istenir.
Termal Hatalar
Termal sapma, gerinim ölçümünde bir hatadır ve gerinim pulu veya ölçüm sistemindeki, kendinden üretilen ısıdan kaynaklanır. Bu ısı, gerinim ölçümünde gerçekte test nesnesinin deformasyonuna bağlı olmayan, belirgin bir değişikliğe neden olur.
Gerinim puluna verilen voltaj ne kadar yüksek olursa, akımın aktığı teller boyunca daha fazla ısı oluşur. Bu, bir tost makinasının içindeki ısıtma elemanlarının nasıl çalıştığına benzer. İdeal olarak, termal sorunları önlemek için ısı, oluşturulduğundan daha hızlı atılmalıdır.
Isı, şu sebepler yüzünden hatalı bir gerinim pulu ölçümlerine neden olabilir:
- Gerinim pulunu test nesnesine göre genişletmek veya daraltmak.
- Isı nedeniyle pulun direncini değiştirmek. Bir gerinim pulu, normal olarak test nesnesinin deformasyonu nedeniyle direnç değişimini kullanarak gerinimi ölçer.
- AC ve DC gerinimleri için gauge faktör hassasiyetini değiştirmek.
Bir gerinim pulunun termal davranışını belirleyen üç ana özelliği vardır:
- Pul Direnci – Pul direnci ne kadar düşükse, verilen bir besleme voltajı için çekilen akım / güç (P=V^2/R) o kadar yüksektir. Yani, 120 Ohm dirence sahip pul, 350 Ohm’luk bir puldan daha kötü bir termal performansa sahip olacaktır, çünkü belirli bir voltaj için daha fazla güç çekmektedir.
- Termal İletkenlik – Gerinim pulunun monte edildiği yapının ısıl iletkenliği (λ) ne kadar yüksek olursa, daha iyi ısı dağılımı sağlanır. Örneğin, bir plastik yapı, ısıyı çelik yapıdan daha yavaş dağıtır.
- Güç Yoğunluğu – Güç yoğunluğu, gerinim pulu gücünün pulun alanına bölümüdür (Pulun alanı, Şekil 2‘de gösterilen bir pulun ilmeklenmiş telleridir). Bir gerinim pulundaki güç yoğunluğu ne kadar yüksek olursa, termal performans da o kadar kötü olur.
Bu özellikler gerinim puluna uygulandığında, ısıyı dağıtacak olan maksimum besleme voltajını belirlemek için kullanılabilir. Eğer besleme voltajı dağıtılabileceğinden önemli ölçüde yüksekse, gerinim pulunun aşırı ısınma ve yanma tehlikesi vardır.
Maksimum Besleme Voltajının Hesaplanması
Maksimum besleme voltajı, aşağıdaki Denklem 1‘den belirlenebilir.
Vmax = Minimum termal hata için maksimum besleme voltajı.
R = Gerinim pulu direnci, tipik olarak 120 ohm, 350 ohm veya 1000 ohm’dur.
A = Gerinim pulunun ızgara alanıdır. (Şekil 2)
T = Sıcaklık gradyanı, gerinim pulu etrafındaki alanın birim uzaklık başına sıcaklık değişimi. Öreğin, tipik bir değer olarak 0.75 ° C/mm veya 0.75 ° K/mm’dir (1 Santigrat derece, 1 Kelvin derece değişime eşittir, fakat Kelvin değerine 273.15 derece ekleyin).
λ = Test edilen parçanın ısıl iletkenliği, W/m*K birimiyle ifade edilir. Çelikler yüksek termal iletkenliğe (50 W/m*K) sahipken, plastikler düşük ısı iletkenliğine (0,05 W/m*K) sahiptir.
Bu terimleri kullanarak, farklı gerinim pulları için bazı örnek hesaplamalar Şekil 3‘te gösterilmiştir.
Gerinim pulu üreticileri (Vishay, Omega, vb.), maksimum besleme voltajını belirlemek için denklemleri ve bu değerleri içeren kılavuzları sağlar. Puldaki kusurların, kurulumdaki hataların ve diğer faktörlerin bu denklemi geçersiz kılabileceğini unutmayın.
Gerinim Pulu Tasarımları
Denklem 1‘deki terimlere dayanarak, gerinim pulu seçerken ve kurarken aşağıdakilere dikkat edilmelidir:
- Izgara Alanı – Gerinme verileri üzerindeki termal etkileri azaltmak için daha büyük ızgara alanına sahip bir ölçü kullanın. Daha büyük bir ızgara alanı, ısıyı daha hızlı dağıtır (Şekil 4).
- Gerinim Pulu Direnci – Gerinme verileri üzerindeki termal etkileri azaltmak için daha yüksek dirençli gerinim pullarını kullanın (120 Ohm yerine 350 Ohm gibi). Genellikle 350 Ohm gerinim pulları fiziksel olarak 120 Ohm olanlardan daha büyüktür.
- Rozet Gerinim Pulları – Üç gerinim pulunu birbirinin üzerine yerleştirerek daha az yer kaplayan rozet gerinim pulları, geleneksel rozet gerinim pullarından daha fazla ısı yaratır (Şekil 5). Gerekmiyorsa üst üste yerleştirilmiş rozet gerinim pullarını kullanmayın.
- Test Yapısı – İdeal olarak, plastikten ziyade metaller gibi yüksek termal iletkenliğe sahip alanlarda test objeleri üzerinde gerinim pulları monte edilecektir. Örneğin, gerinim pulları plastik üzerindeyse, mümkün olan en düşük besleme voltajını kullanın (1 Volt veya daha az).
Stabilizasyon
Ortam sıcaklığı sürekli olarak değişmiyorsa, termal etkiler besleme voltajı uygulandıktan hemen sonra görülür. Termal etkileri minimuma düşürek için, gerinim pulu ve ölçüm sisteminin uzun bir zaman aralığında stabilize olmasına izin verilebilir. (Şekil 6)
Düşük termal yükte, gerinim pulunun daha hızlı dengeleneceğinden, mümkün olduğunda daha iyi termal özelliklere (daha yüksek direnç, daha büyük ızgara alanı vb.) sahip gerinim pullarının seçilmesi her zaman en iyisidir.
Gerinim puluna voltaj verildikten sonra, bir gerinim (test nesnesinin deformasyonuna bağlı olmayan gerinim) görülür. Görünen gerinme bir süre sonra stabilize olacaktır. Stabilize edildikten sonra, gerinim pulu sıfırlanabilir ve minimum termal hatalarla ölçümler yapılabilir.
Bu stabilizasyon fenomeni, denklemi kullanmadan uygun besleme voltajını belirlemek için de kullanılabilir. Bunun için, besleme voltajını yavaşça artırın ve görünen gerinmeyi izleyin. Gerinim kararsızsa voltaj çok yüksektir. Besleme voltajı, görünen gerinim stabil olana kadar azaltılabilir. Bu şekilde, Denklem 1‘de yansıtılmayan ve gerinim pulu üzerinde bulunabilecek kusurlar da dikkate alınmış olur.
Mühendislik hizmetlerimiz veya satışını gerçekleştirdiğimiz sensörler ve veri toplama cihazları hakkında detaylı bilgi için lütfen DTA Mühendislik Test & Ölçüm Bölümü mühendisleriyle iletişime geçiniz.
