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ロードセル

ロード セルは、小さな金属変形を通じて力を測定します。スプール、フィラメント監視、シンプルな重量プラットフォームをほぼ常に計量することはそのようなセンサーを使用します。

理解することが重要です: ロード セルは自分自身で「重量を感じ」ません。わずかに曲がるか圧縮されて、電子機器は歪みゲージの顕微鏡的な抵抗変化を測定します。したがって、2 つのことが重要です: 正しいメカニクスと通常のアンプ/ADC。

どこで使用されているか

iDryer のようなプロジェクトでは、ロード セルは以下に使用できます:

  • フィラメント付きスプール重量の推定;
  • 残りのプラスチックの大まかな計算;
  • スプールがインストールされていることを確認する;
  • 重量の急激な変化を検出する;
  • 小さなメカニズムのロードを測定;
  • 実験的な重量プラットフォーム;
  • DIY システムにおける計量制御。

シンプルな「スプール存在/非存在」の場合、時々リミットスイッチまたは光学センサーで十分です。ロード セルは、重量または力の変化を実際に測定することが重要な場合に必要です。

HX711 が必要な理由

ロード セル信号は非常に弱いです。ESP32、Arduino、またはプリンター ボード上の典型的なアナログ入力は、通常、直接接続用には機能しません。

したがって、ロード セルは通常 HX711 または同様のモジュール経由で接続されます。HX711 は 2 つのことを行います:

  • 弱い差分ブリッジ信号を増幅します;
  • 制御器のデジタル データに変換します。

典型的なチェーン:

ロード セル -> HX711 -> 制御器

詳細な接続図は、実用的なセクション: ロード セルの接続 にあります。

ロード セルの種類

小さなプロジェクトでは、最も一般的なのは:

  • ビーム セル - 小さなプラットフォームとスプール ホルダーに便利;
  • S タイプ セル - 張力/圧縮で動作し、ハング セットアップで使用されることが多い;
  • ボタン セル - 1 点で圧縮を測定;
  • プラットフォーム上の 4 つのセル - 典型的な床スケール デザイン;
  • 単一歪みゲージ要素 - 適切なブリッジとメカニクスが必要で、初心者に難しい。

DIY スプール重量システムの場合、通常、5 kg、10 kg、またはその近くの範囲でビーム ロード セルを開始する方が簡単です。しかし、範囲はスプール質量、ホルダー、および可能なジャークに依存します。

ワイヤーとブリッジ

最も一般的な 4 ワイヤー ロード セルはブリッジ回路を持っています。

HX711 では、通常、マーキングが表示されます:

  • E+ または VCC - ブリッジ電源プラス;
  • E- または GND - ブリッジ電源マイナス;
  • A+、S+、O+ - 正の測定信号;
  • A-、S-、O- - 負の測定信号。

一般的なカラースキーム:

  • 赤 - E+;
  • 黒 - E-;
  • 緑または青 - A+;
  • 白 - A-;
  • 黄、ホイル、または別のワイヤー - シールド。

色は保証されていません。特定のセルの技術的説明がある場合、それはインターネット テーブルより重要です。読み取り値が間違った方法で進む場合、多くの場合、A+ と A- を入れ替えるか、プログラムで符号を考慮すれば十分です。

メカニクスはサーキットより重要

ロード セルは、製造業者が意図した通りに正確に変形する必要があります。ロードが動作ゾーンの周りを移動する場合、セルは不安定な読み取り値またはほぼ何も表示しません。

ミニチュア S ビーム ロード セル

出所: Wikimedia Commons, FUTEK Advanced Sensor Technology, CC BY-SA 4.0

ビーム セルの場合、典型的な考え方は:

  • 一方の側が固い固定ベースにしっかり取り付けられています;
  • もう一方の側がプラットフォームまたはロードを運びます;
  • 移動部分とベースの間に隙間があります;
  • ネジとケースはビーム曲げをブロックしません。

不適切なメカニクスは以下のような症状をもたらします:

  • ロードなしで読み値がドリフト;
  • 重量はスプールを置いた場所に依存;
  • セルはロードに逆転;
  • ロードを削除した後、ゼロは戻りません;
  • ケースに触れるとで読み取り値が鋭く変わります;
  • 異なるアセンブリは同じセットアップで異なる重量を示します。

範囲とオーバーロード

ロード セルの範囲は、望ましい作業重量ではなく、定格されている制限です。

スプール、ホルダー、ジャークの 1 kg セルを 1 kg 上で使用すると、非線形または永久的な変形に駆動できます。スプール用 100 kg セルを 1 kg で使用するとセンシティビティが低下し、メカニクスはより注意深い必要があります。

範囲を選択する際に検討:

  • フル スプールの最大重量;
  • ホルダーとプラットフォーム重量;
  • 位置ずれ力;
  • マウント上の意図しないジャーク;
  • ユーザーのマージン;
  • 望ましい精度。

残りのフィラメントの場合、適度なマージンはしばしば巨大な範囲より有用です。例えば、複数のキロを計量するホルダー付きスプールの場合、メカニクスが許す場合、50 kg より 5 kg または 10 kg セルが通常より良いです。

タレと キャリブレーション

キャリブレーションなしのロード セルは生の数値を出力します、グラムではありません。

典型的なプロセス:

  1. セルを実際のメカニクスにインストールします。
  2. 空のプラットフォームまたはホルダーを置きます。
  3. タレを実行します - 現在の値をゼロとして受け入れます。
  4. 既知の重量を置きます。
  5. キャリブレーション係数を調整します。
  6. 1 つまたは 2 つのより多くの重量をチェックしてください。

スプールの場合、追加の問題があります: 空のスプールも異なる重量があります。プラスチックのみを推定する必要がある場合、空のスプール重量を知るか、その特定のスプール用のプロファイルを保存する必要があります。

精度と安定性

実際には、精度は HX711 とセルより多くのものに依存します。

読み取り値は次に影響を受けます:

  • ケース剛性;
  • マウント再生;
  • サイド ロード;
  • プリンター振動またはファン ノイズ;
  • ワイヤー長とシールディング;
  • 測定ワイヤーが電力ラインの近くにあります;
  • 温度;
  • 材料クリープとプラスチック変形;
  • ケーブルまたはスプールがセルの周りのケースに接触しています。

ロード セルが印刷されたプラスチック ケースにある場合、ラボ精度を期待しないでください。フィラメント残り推定の場合、安定した読み取り値とキャリブレーション後の再現性はしばしば十分です。

電力とワイヤリング

HX711 は弱い信号を測定するため、ワイヤリングは慎重である必要があります。

実用的なルール:

  • HX711 をロード セルの近くに保つ;
  • ヒーター、モーター、電力ラインの近くでセルワイヤーをルーティングしないでください;
  • ワイヤーを保護して、プラットフォームを引っ張らないようにします;
  • 制御器と共通 GND を使用します;
  • モジュールに制御器と互換性のある電圧で電力を供給します;
  • デバイスが長時間実行される場合、最終アセンブリで悪い Dupont 接触を使用しないでください。

制御器側では、HX711 は通常 DT/DOUT と SCK/CLK 経由で接続されます。これは通常の I2C または SPI ではなく、別の単純なインターフェースです。

購入前にチェックすること

購入する前に、確認してください:

  • セル タイプ: ビーム、S タイプ、ボタン、プラットフォーム;
  • 重量範囲;
  • ロード アプリケーション方向;
  • 寸法と取り付け穴;
  • 説明またはワイヤ図の利用可能性;
  • 1 つのセルまたは 4 つのセルが必要かどうか;
  • HX711 モジュールが選択されたセルに適合しているかどうか;
  • 適切な隙間と取り付けのための余地があるかどうか;
  • キャリブレーション用に既知の重量を置くことができるかどうか;
  • ロードはセルの周りのケースを通さないでください。

メカニクスがまだ考えられていない場合、最初にマウントをスケッチする方が良いです。「いずれかのロード セル」を購入することはしばしば、それを正しくマウントすることが物理的に不可能で終了します。

典型的なエラー

  • ロード セルをアナログ入力に直接接続;
  • E+/E- と A+/A- を混同;
  • 説明なしでワイヤーの色を信頼する;
  • ビーム セルの両側を 1 つの剛性部分にマウント;
  • セルの曲げをネジまたはケースでブロック;
  • セルをオーバーロード;
  • 範囲が大きすぎて選択してセンシティビティを失う;
  • タレとキャリブレーションを忘れる;
  • ベンチでキャリブレーションしてから、セルを異なるメカニクスにインストール;
  • ヒーター電源ラインの近くでワイヤーをルーティング;
  • ソフト プラスチック ケースからグラム レベルの精度を期待します。

重要なポイント

ロード セルは、電子機器と同じくらいメカニクスが重要なコンポーネントです。HX711 は弱い信号を読むのに役立ちます、しかし曲がったマウント、オーバーロード、またはセルの周りを移動するロードは修正しません。

最初に正しいタイプと範囲を選択し、次にマウントを設計し、次に HX711 を接続し、その後のみタレとキャリブレーション を行います。

参考資料