Záhada kuchyňské váhy

Přestala nám fungovat digitální kuchyňská váha. Neprobudila se k životu po výměně baterie, nepomohlo ani poklepávání, domlouvání a zaříkávání. Nabízelo se jediné řešení – odnést ji do kontejneru pro vyřazené elektrospotřebiče a koupit novou. Zvolil jsem však malou odbočku a pokusil jsem se nejprve prozkoumat, jak taková elektronická váha vlastně funguje. Neobsahuje (na rozdíl od klasických mechanických vah) žádné pohyblivé součásti, nepotřebuje žádná závaží a přesto se hmotnost váženého tělesa prakticky okamžitě zobrazí na displeji. A taková záhada přece stojí za objasnění!

Po demontáži se objevila destička s elektronikou, displej LCD a hliníkový hranol s eliptickým otvorem. Na jednom konci měl přišroubovanou misku pro vážené těleso, druhý konec byl upevněn k základně váhy. Na horní ploše hranolu byl přilepený tenoučký plátek připojený čtyřmi vodiči k destičce s elektronikou. Zdálo se, že tento masivní hranol hraje při „digitálním“ vážení zásadní roli (obr. 1 až 3)

Váhy okolo nás

Určování hmotnosti (neboli vážení) nás provází doslova na každém kroku. Váhy různých typů a velikostí jsou nezbytnou pomůckou v kuchyni, obchodech, na poště, v průmyslu a zemědělství,  dopravě, lékárně i lékařské ordinaci. Donedávna se k vážení používaly výhradně mechanické váhy různých typů. K nejběžnějším patří váhy rovnoramenné, u kterých porovnáváme tíhu váženého tělesa s tíhou závaží. Na jednu misku vah položíme těleso a na druhou misku přidáváme (nebo odebíráme) cejchovaná závaží tak dlouho, až nastane rovnováha. Jsou-li váhy v rovnováze, je tíha tělesa G₁ rovna tíze použitých závaží G₂. A protože mezi tíhou a hmotností platí známý vztah G = m.g, z rovnosti G₁ = G₂ vyplývá i rovnost hmotností m₁ = m₂.

Pro rychlé, i když méně přesné, vážení se používají váhy pružinové. Využívají toho, že prodloužení pružiny je přímo úměrné působící síle – tíze váženého tělesa. Prodloužení se přenáší na ukazatel, který na stupnici cejchované v kilogramech ukáže hmotnost tělesa.

Digitální měřicí přístroje – a elektronická váha mezi ně patří – však fungují jinak. Nejprve pomocí vhodného senzoru „přemění“ měřenou veličinu (sílu, tíhu, dráhu, deformaci, čas, rychlost, teplotu, osvětlení apod.) na vhodnou elektrickou veličinu a převedou ji do digitální formy. Následně se naměřené hodnoty zpracují a vyhodnotí (obvykle pomocí mikroprocesoru) a výsledek zobrazí např. na displeji.

Jak funguje digitální váha

Základním stavebním prvkem digitální váhy je ohybový snímač síly – to je ten záhadný hliníkový hranol. Na jeho horní ploše je nalepený odporový tenzometr, který deformaci, způsobenou tíhou váženého tělesa, převádí na změnu elektrického odporu.

Tenzometr má tvar ploché destičky s tenoučkým drátkem, vytvarovaným jako meandr. Při měření se využívá závislosti odporu vodiče na jeho délce a průřezu, kterou známe z hodin fyziky: odpor vodiče je tím větší, čím větší je délka a čím menší je průřez. Při deformaci hranolu se prohne i nalepený tenzometr, zvětší se nepatrně délka drátku a tím i jeho elektrický odpor. Změna odporu je přímo úměrná velikosti deformace (obr. 4 a 5)

Položíme-li na misku váhy těleso, hranol se působením jeho tíhy trochu prohne a odpor tenzometru se nepatrně zvětší. Čím těžší je těleso, tím větší je deformace snímače a tím větší je i změna odporu. Pro zvýšení citlivosti měření je tenzometr zapojen do obvodu tzv. Wheatstonova můstku, kterým se změny odporu převedou na změny elektrického napětí.

Kuchyňské váhy váží tělesa o hmotnosti 3 kg až 5 kg, ohybový snímač tedy zatěžuje síla max. 30 N až 50 N. Při tak malém zatížení je změna odporu tenzometru nepatrná a změna výstupního napětí z Wheatstonova můstku je rovněž velmi malá. Proto se před dalším zpracováním musí nejprve zesílit napětí zesilovačem. Následuje další elektronický obvod – analogově-digitální převodník, který převádí analogový signál ze zesilovače na číselné hodnoty. Tyto digitální údaje zpracovává mikroprocesor podle příkazů vloženého programu – čím je program složitější, tím víc toho váha „umí“ (obr. 6)

Obsluhu elektronické váhy zvládne i malé dítě. Stačí položit těleso na misku a jeho hmotnost prostě přečíst na displeji. A nejenom to, můžeme zvolit různé jednotky (g, ml), váha si „sama“ odečte hmotnost nádoby a umožňuje postupné dovažování, indikuje přetížení nebo slabou baterii, při delší nečinnosti se automaticky vypne. Digitální váha u pokladny supermarketu je navíc spojena s čtečkou čárového kódu, takže zváží a vypočítá cenu zboží a informace předává pokladně i do skladu.

Pár milivoltů na závěr

Před odvozem do sběru jsme se pokusili prakticky ověřit funkci ohybového snímače síly. Nejprve jsme ke dvojicím vodičů, vedoucích od tenzometru, připojovali digitální ohmmetr a pokoušeli se změřit změnu odporu při zatěžování snímače. Marně, ohmmetr žádnou změnu odporu nezaznamenal (což se ovšem dalo čekat). Úspěch se dostavil teprve při správném zapojení vodičů Wheatstonova můstku (viz obrázky). K černému a červenému jsme připojili vstupní napětí 5 V, modrý a bílý vodič jsme připojili k voltmetru, přepnutému na nejnižší rozsah 200 mV. Změna odporu tenzometru při zatížení snímače se skutečně projevila změnou výstupního napětí! Ověřili jsme si také, že změna výstupního napětí je přímo úměrná zatížení: citlivost snímače byla přibližně 3,5 mV/kg (obr. 7 a 8).