لودسل چیست؟ راهنمای جامع انواع لودسل، نحوه عملکرد، انتخاب و کاربرد در سیستم‌های توزین

 

مقدمه

لودسل (Load Cell) یکی از اصلی‌ترین اجزای سیستم‌های توزین و اندازه‌گیری نیرو در صنعت است. تقریباً در هر سیستم توزین صنعتی، از باسکول کامیون و توزین سیلو گرفته تا توزین نوار نقاله، سیستم‌های بچینگ و تجهیزات توزین خودکار، لودسل وظیفه تبدیل نیروی مکانیکی ناشی از وزن به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری را بر عهده دارد.
اما انتخاب لودسل مناسب تنها به ظرفیت آن محدود نمی‌شود. نوع لودسل، نحوه نصب، تعداد لودسل‌ها، شرایط محیطی، نیروهای جانبی، ارتعاشات، نحوه سیم‌کشی و تنظیم سیستم همگی می‌توانند روی دقت نهایی توزین تأثیر بگذارند.
در این مقاله با ساختار و عملکرد لودسل، انواع رایج آن، مشخصات مهم، نحوه اتصال به نمایشگر وزن، کاربرد در باسکول و سیستم‌های توزین صنعتی، روش‌های عیب‌یابی و نکات مهم انتخاب و نصب آشنا می‌شویم.

لودسل چیست؟

لودسل یک مبدل (Transducer) است که نیروی مکانیکی یا وزن واردشده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.
در بسیاری از لودسل‌های صنعتی، از استرین گیج (Strain Gauge) و مدار پل وتستون (Wheatstone Bridge) استفاده می‌شود.
وقتی وزن روی لودسل قرار می‌گیرد، بدنه فلزی آن مقدار بسیار کمی تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل باعث تغییر مقاومت استرین گیج‌ها شده و در نتیجه خروجی پل وتستون تغییر می‌کند.
این تغییر بسیار کوچک در خروجی، توسط نمایشگر وزن یا تجهیزات پردازش‌کننده اندازه‌گیری شده و به مقدار وزن تبدیل می‌شود.
به صورت ساده:
وزن ← تغییر شکل مکانیکی لودسل ← تغییر مقاومت استرین گیج←تغییر سیگنال الکتریکی ← محاسبه وزن

 

لودسل چگونه وزن را اندازه‌گیری می‌کند؟

فرض کنیم یک مخزن روی چند لودسل قرار گرفته است.
وزن مخزن و محتویات آن به نقاط نصب لودسل‌ها منتقل می‌شود. هر لودسل بخشی از نیروی واردشده را دریافت می‌کند و خروجی الکتریکی متناسب با آن ایجاد می‌شود.
در یک سیستم چند لودسلی، خروجی لودسل‌ها معمولاً از طریق جعبه تقسیم یا Junction Box جمع‌آوری شده و سپس به نمایشگر وزن یا Weight Indicator ارسال می‌شود.
نمایشگر وزن با استفاده از اطلاعاتی مانند ظرفیت لودسل ، حساسیت لودسل ، ولتاژ تحریک ، Zero ، Span ، ضریب کالیبراسیون سیگنال دریافتی را به مقدار وزن تبدیل می‌کند.

 

ساختار داخلی لودسل

ساختار دقیق لودسل به نوع و طراحی آن بستگی دارد، اما در یک لودسل استرین گیجی معمولاً اجزای اصلی شامل موارد زیر هستند:

بدنه فلزی  ، استرین گیج‌ها ، مدار پل وتستون ، سیم‌های اتصال ، کابل خروجی ، قسمت‌های مکانیکی انتقال نیرو ، آب‌بندی و پوشش محافظ 

بدنه لودسل معمولاً از فلزاتی مانند فولاد آلیاژی یا فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شود و طراحی آن به گونه‌ای است که در اثر اعمال نیرو، تغییر شکل کنترل‌شده‌ای ایجاد شود.
استرین گیج‌ها روی قسمت مشخصی از بدنه نصب می‌شوند تا این تغییر شکل را به تغییر مقاومت الکتریکی تبدیل کنند.

 

مشخصات مهم لودسل

برای انتخاب صحیح لودسل، صرفاً دانستن ظرفیت کافی نیست. برخی از مهم‌ترین مشخصات عبارت‌اند از:

۱. ظرفیت لودسل (Capacity)
ظرفیت حداکثر نیرویی است که لودسل برای اندازه‌گیری آن طراحی شده است.
لودسل‌ها در ظرفیت‌های مختلف تولید می‌شوند؛ از ظرفیت‌های پایین برای تجهیزات کوچک تا ظرفیت‌های بسیار بالا برای باسکول‌ها، مخازن و سیستم‌های صنعتی.
ظرفیت لودسل باید بر اساس شرایط واقعی بار، تعداد لودسل‌ها، نحوه توزیع بار و نیروهای اضافی انتخاب شود.

۲. حساسیت (Sensitivity)
حساسیت لودسل معمولاً بر حسب mV/V بیان می‌شود.
برای مثال اگر یک لودسل حساسیت اسمی 2 mV/V داشته باشد و با ولتاژ تحریک 10V کار کند، خروجی اسمی آن در ظرفیت کامل حدود:
2 × 10 = 20 mV خواهد بود.
این مقدار بسیار کوچک است و به همین دلیل کیفیت سیم‌کشی، نویز محیط، اتصال زمین و تجهیزات اندازه‌گیری اهمیت زیادی دارد.
نکته مهم این است که مقدار حساسیت در همه لودسل‌ها یکسان نیست و باید از دیتاشیت سازنده استفاده شود.

۳. ولتاژ تحریک (Excitation Voltage)
لودسل برای تولید سیگنال خروجی به ولتاژ تحریک نیاز دارد.
مقدار مجاز ولتاژ تحریک به مدل لودسل بستگی دارد و باید مطابق مشخصات سازنده انتخاب شود.
در سیستم‌های صنعتی معمولاً نمایشگر وزن یا ماژول توزین این ولتاژ را برای لودسل تأمین می‌کند.

۴. مقاومت ورودی و خروجی
مقاومت ورودی و خروجی از مشخصات مهم لودسل هستند و در زمان تست و عیب‌یابی می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.
مقادیر دقیق باید با دیتاشیت همان مدل مقایسه شوند؛ زیرا مقدار مقاومت در لودسل‌های مختلف متفاوت است.

۵. دقت (Accuracy)
دقت لودسل به کلاس و مشخصات فنی آن وابسته است.
پارامترهایی مانند Non-linearity ، Hysteresis ، Repeatability ، Creep ، Temperature Effect می‌توانند روی عملکرد سیستم توزین تأثیر بگذارند.
بنابراین در یک سیستم دقیق، انتخاب لودسل باید متناسب با دقت مورد نیاز پروژه انجام شود.

 

انواع لودسل

لودسل‌ها بر اساس ساختار مکانیکی و کاربرد به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند.
از انواع رایج می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
Single Point
Bending Beam
Shear Beam
Double Shear Beam
Compression
S-Type
Canister
Pancake
هر نوع لودسل برای شرایط خاصی مناسب‌تر است.

 

لودسل Single Point

لودسل‌های Single Point بیشتر در ترازوها، باسکول‌های کوچک، پلتفرم‌های توزین و سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که یک یا چند نقطه مشخص برای اندازه‌گیری وزن دارند.
یکی از ویژگی‌های مهم این نوع لودسل، توانایی مناسب آن در تحمل بارهایی است که در نقاط مختلف پلتفرم قرار می‌گیرند.

 

لودسل Shear Beam

لودسل‌های Shear Beam در بسیاری از سیستم‌های توزین صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کاربردهای رایج آن‌ها شامل:
مخازن
هاپرها
سیستم‌های توزین صنعتی
پلتفرم‌های توزین
تجهیزات فرآیندی است.

 

لودسل Double Shear Beam

Double Shear Beam برای سیستم‌هایی با ظرفیت بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این نوع لودسل در برخی سیستم‌های توزین مخازن، هاپرها و تجهیزات صنعتی بزرگ کاربرد دارد.

 

لودسل Compression

در این نوع لودسل، نیرو در راستای فشاری به آن وارد می‌شود.
لودسل‌های Compression یا Canister در سیستم‌هایی مانند:
توزین سیلو
توزین مخازن بزرگ
باسکول‌های صنعتی
سیستم‌های توزین با ظرفیت بالا کاربرد دارند.

 

لودسل S-Type

لودسل S-Type از نظر ظاهری شبیه حرف S است و می‌تواند برای اندازه‌گیری نیروهای کششی و فشاری مورد استفاده قرار گیرد.
از کاربردهای آن می‌توان به:
توزین مخازن
سیستم‌های کششی
تجهیزات صنعتی
اندازه‌گیری نیرواشاره کرد.

 

لودسل در باسکول کامیون

یکی از مهم‌ترین کاربردهای لودسل، استفاده در باسکول‌های جاده‌ای و کامیون‌کش است.
در باسکول، وزن وسیله نقلیه از طریق سازه باسکول به چند لودسل منتقل می‌شود.
لودسل‌ها سیگنال‌های مربوط به وزن را تولید می‌کنند و این سیگنال‌ها پس از جمع‌آوری و پردازش توسط نمایشگر وزن، به مقدار وزن تبدیل می‌شوند.
در چنین سیستمی فقط ظرفیت لودسل مهم نیست. مواردی مانند:
طراحی سازه
محل نصب لودسل
توزیع بار
نیروهای جانبی
ضربه و بار دینامیکی
رطوبت و شرایط محیطی
سیم‌کشی
جعبه تقسیم
کالیبراسیون نیز بر عملکرد سیستم تأثیر دارند.

برای اطلاع از پروژه های اجرا شده مجموعه الکترون در این خصوص می تواند بخش پروژه ها را ملاحظه نمائید .

جهت مشاهده نرم افزارهای مجموعه الکترون در حوزه باسکول و اتوماسیون بخش نرم افزار ها را ملاحظه نمائید .

 

لودسل در توزین سیلو و مخزن

یکی دیگر از کاربردهای مهم لودسل، نصب آن در زیر سیلوها، مخازن و هاپرها است.
در این سیستم، مخزن به جای قرارگرفتن روی فونداسیون ثابت، از طریق چند نقطه به لودسل متصل می‌شود.
به این ترتیب وزن مواد داخل مخزن قابل اندازه‌گیری خواهد بود.
این روش در صنایع مختلف از جمله:
صنایع غذایی
سیمان
مواد معدنی
خوراک دام
مواد شیمیایی
صنایع فولاد کاربرد دارد.
در سیستم‌های سیلویی، طراحی مکانیکی بسیار مهم است. لوله‌ها، کابل‌ها، اتصالات یا هر عامل دیگری که به مخزن نیروی اضافی وارد کند، می‌تواند باعث خطای اندازه‌گیری شود.

لودسل در توزین نوار نقاله

در سیستم‌های توزین دینامیک نوار نقاله یا Belt Weigher، لودسل یکی از اجزای اصلی اندازه‌گیری وزن مواد روی نوار است.
در این سیستم معمولاً وزن مواد روی بخش مشخصی از نوار توسط لودسل اندازه‌گیری می‌شود و سرعت حرکت نوار نیز توسط سنسور سرعت یا انکودر مشخص می‌شود.
سپس کنترلر یا Weight Integrator می‌تواند پارامترهایی مانند:
دبی عبوری
تن بر ساعت
وزن تجمعی را محاسبه کند.

ساختار ساده سیستم می‌تواند به شکل زیر باشد:
مواد ← نوار نقاله ← مکانیزم توزین ← لودسل + سنسور سرعت ← کنترلر ← نمایش مقدار

برای اطلاع از پروژه های اجرا شده مجموعه الکترون در این خصوص می تواند بخش پروژه ها را ملاحظه نمائید .

 

لودسل در سیستم‌های Batch Weighing

در سیستم‌های بچینگ، چند ماده با مقدار مشخص باید به صورت دقیق وزن شوند.
برای مثال ممکن است سیستم ابتدا مقدار مشخصی از ماده اول، سپس ماده دوم و بعد ماده سوم را توزین کند.
لودسل وزن مخزن یا هاپر را اندازه‌گیری می‌کند و PLC بر اساس مقدار وزن، فرمان‌های لازم برای باز و بسته‌شدن دریچه‌ها، مارپیچ‌ها یا تجهیزات انتقال مواد را صادر می‌کند.
در این حالت لودسل تنها یک تجهیز اندازه‌گیری نیست، بلکه بخشی از یک سیستم کنترل اتوماتیک است.

 

اتصال چند لودسل به یک سیستم توزین

در بسیاری از سیستم‌های صنعتی، یک لودسل برای اندازه‌گیری وزن کافی نیست.
برای مثال یک مخزن بزرگ ممکن است روی چهار یا شش لودسل قرار گیرد.
در این حالت خروجی لودسل‌ها معمولاً از طریق یک Junction Box جمع‌آوری شده و به نمایشگر وزن منتقل می‌شود.
در یک سیستم چند لودسلی باید به موارد زیر توجه کرد:
ظرفیت هر لودسل
تعداد لودسل‌ها
توزیع مکانیکی بار
یکسان‌بودن یا تطابق مشخصات لودسل‌ها
طول کابل
شرایط محیطی
نحوه تنظیم و کالیبراسیون

Junction Box چیست؟

Junction Box یا جعبه تقسیم لودسل برای اتصال چند لودسل به یک سیستم توزین استفاده می‌شود.
این جعبه معمولاً وظیفه جمع‌آوری اتصالات لودسل‌ها و انتقال آن‌ها به نمایشگر وزن را بر عهده دارد.
برخی Junction Boxها دارای مدارها یا تنظیماتی برای اصلاح اختلاف خروجی لودسل‌ها هستند؛ اما این قابلیت در همه مدل‌ها وجود ندارد.
در سیستم‌های چند لودسلی، تنظیم صحیح Junction Box می‌تواند در توزیع مناسب سیگنال و اصلاح اختلاف بین نقاط اندازه‌گیری نقش داشته باشد.

سیم‌کشی لودسل

لودسل‌ها معمولاً با کابل چند رشته‌ای به نمایشگر یا جعبه تقسیم متصل می‌شوند.
مدار می‌تواند شامل خطوطی مانند:
Excitation+
Excitation-
Signal+
Signal-
باشد.
در برخی مدل‌ها نیز خطوط Sense وجود دارد و لودسل دارای کابل 6 سیمه است.
خطوط Sense برای جبران اثر مقاومت کابل در مسیر تغذیه و بهبود دقت سیستم در شرایط خاص استفاده می‌شوند.

نکته مهم در سیم‌کشی

رنگ سیم‌های لودسل استاندارد یکسانی بین تمام سازندگان ندارد.
بنابراین نباید صرفاً بر اساس رنگ سیم، اتصال انجام شود.
همیشه باید نقشه سیم‌بندی یا دیتاشیت همان لودسل بررسی شود.
اشتباه در سیم‌بندی می‌تواند باعث عدم عملکرد صحیح، نمایش وزن اشتباه یا حتی آسیب به تجهیزات متصل‌شده شود.

اتصال لودسل به نمایشگر وزن

رایج‌ترین روش استفاده از لودسل در سیستم‌های توزین، اتصال آن به Weight Indicator یا نمایشگر وزن است.
نمایشگر وزن وظیفه تأمین Excitation، دریافت سیگنال بسیار کوچک لودسل، تقویت و پردازش آن و تبدیل سیگنال به مقدار وزن را بر عهده دارد.
ساختار کلی:
Load Cell → Junction Box → Weight Indicator → Display
در سیستم‌های 

اتصال لودسل به PLC

ارتباط لودسل با Modbus

انتخاب ظرفیت مناسب لودسل

خطاهای رایج در سیستم‌های لودسل

عیب‌یابی لودسل

کالیبراسیون سیستم توزین

لودسل در اتوماسیون صنعتی

لودسل و سیستم‌های توزین هوشمند

مهم‌ترین نکات در انتخاب لودسل

تجربه عملی در پروژه‌های توزین

جمع‌بندی

اجرای پروژه‌های توزین صنعتی