Tìm Hiểu Về Các Ứng Dụng Của Load Cell.docx

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA  Đề tài: “LOAD CELL DDE SERIES” Giảng viên hướng dẫn: Đoàn Thị Hương Giang Sinh viên thực hiện Hà Nội,4/2012 : Nhóm – K54M Các thành viên nhóm stt Tên thành viên Nguyễn Thế Anh Nguyễn Cơng Trận Nguyễn Huy Hồng Nguyễn Văn Long Nguyễn Văn Nam Mai Tuấn Anh Nguyễn Đức Quảng Đánh giá công việc A TÌM HIỂU CHUNG VỀ LOAD CELL Khái niệm Load cell 1.1 Khái niệm Load cell thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoăc trọng lượng thành tín hiệu điện Khái niệm “strain gage”: cấu trúc biến dạng đàn hồi chịu tác động lực tạo tín hiệu điện tỷ lệ với biến dạng Load cell thường sử dụng để cảm ứng lực lớn, tĩnh hay lực biến thiên chậm Một số trường hợp load cell thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế load cell Hình 1: Một số loại load cell thông dụng Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.1 Cấu tạo Load cell được cấu tạo hai thành phần, thành phần thứ "Strain gage" thành phần lại "Load" Strain gage điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo dãn nuôi nguồn điện ổn định, dán chết lên “Load” - kim loại chịu tải có tính đàn hồi Hình 2: Cấu tạo Button Load cell 2.2 Nguyên lý hoạt động Hoạt động dựa nguyên lý cầu điện trở cân Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với thay đổi điện trở cảm ứng cầu điện trở, trả tín hiệu điện áp tỉ lệ Hình 3: Mạch cầu Wheatstone Thơng số kĩ thuật - Độ xác: cho biết phần trăm xác phép đo Độ xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp - Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn mà load cell đo - Dải bù nhiệt độ: khoảng nhiệt độ mà đầu load cell bù vào, nằm ngồi khoảng này, đầu khơng đảm bảo thực theo chi tiết kĩ thuật đưa - Cấp bảo vệ: đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống độ ẩm bụi) - Điện áp: giá trị điện áp làm việc load cell (thông thường đưa giá trị lớn giá trị nhỏ - 15 V) - Độ trễ: tượng trễ hiển thị kết dẫn tới sai số kết Thường đưa dạng % tải trọng - Trở kháng đầu vào: trở kháng xác định thông qua S- S+ load cell chưa kết nối vào hệ thống chế độ không tải - Điện trở cách điện: thơng thường đo dịng DC 50V Giá trị cách điện lớp vỏ kim loại load cell thiết bị kết nối dòng điện - Phá hủy học: giá trị tải trọng mà load cell bị phá vỡ biến dạng - Giá trị ra: kết đo (đơn vị: mV) - Trở kháng đầu ra: cho dạng trở kháng đo Ex+ EX- điều kiện load cell chưa kết nối hoạt động chế độ không tải - Q tải an tồn: cơng suất mà load cell vượt q (ví dụ: 125% cơng suất) - Hệ số tác động nhiệt độ: Đại lượng đo chế độ có tải, thay đổi công suất load cell thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa nhiệt dộ tăng thêm 10°C cơng suất đầy tải load cell tăng thêm 0.01%) - Hệ số tác động nhiệt độ điểm 0: giống đo chế độ không tải Phân loại  Có thể phân loại loadcells sau: - Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcell) - Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S… - Phân loại theo kích thước khả chịu tải: loại bé, vừa, lớn  Một số hình ảnh loại load cell: Hình 4: Load cell kiểu Z (S) Hình 3: Load cell kiểu uốn Hình 4: Load cell nút bấm (kiểu nén) Hình 5: Single point Load cell Hình 6: Miniature Load cell (loại bé) Ứng dụng load cell  Một ứng dụng phổ biến thường thấy load cell sử dụng loại cân điện tử Hình7: Cân kĩ thuật Từ ứng dụng cân kĩ thuật địi hỏi độ xác cao cân có trọng tải lớn cơng nghiệp cân xe tải Hình 8: Cân xe tải  Một số ứng dụng khác: - Trong ngành công nghệ cao: Với khoa học kĩ thuật tiên tiến loại load cell cỡ nhỏ cải tiến cơng nghệ tính ứng dụng cao Như hình minh hoạ, loại load cel này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào vật khi chúng cầm nắm nhấc lên - Phân phối trọng lượng công nghiệp: Công nghệ sử dụng: Các bào tải(load cell LSB and LCF Series) kết hợp với thiết bị định hướng thu thập liệu qua máy tính PLC Sơ lược hoạt động: Các load cell thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa cơng nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể trong sơ đồ dưới đây, load cell lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào bao bì cách xác 10 6.2 Load cell số a) Khái niệm, đời Thời gian đời: Từ cuối năm 1970 Về load cell số tích hợp load cell tương tự với công nghệ điện tử đại Ban đầu, khái niệm load cell số đời, nhiều người hiểu lầm load cell số có phần tử điện tiêu hao thấp sử dụng để chuyển đổi load cell chất lượng thấp lên load cell chất lượng cao Thực tế ngược lại, load cell số đơn giản mang cấu trúc phức tạp - Thứ nhất: Phải có load cell với độ xác, độ ổn dịnh khả lặp lại cao điều kiện làm việc - Thứ hai: Phải có chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số - Thứ ba: Phải có hệ vi mạch xử lý để thực điều khiển toàn trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo thành liệu số thể trung thực giao tiếp với thiết bị khác để trao đổi thông tin Hình 9: Cấu trúc loại load cell số 15 b) Hoạt động: Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở load cell xác cao đưa đến đầu vào mạch tích hợp sẵn, bao gồm phần khuyếch đại, giải điều chế, ADC tốc độ cao 20 bit lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn sử dụng để đo nhiệt độ thực load cell phục vụ cho việc bù sai số nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ với thuật toán phần mềm số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức tối ưu hóa xử lý sai số khơng tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả phục hồi trạng thái ảnh hưởng nhiệt độ… vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết đầu truyền xa qua cổng giao giao thức định Các module điện tử đặt loadcell, load cell cable hộp junction box Các đặc tính tới hạn load cell đặt EEPROM nằm module load cell đó, điều có nghĩa vấn đề xử lý sai số thực load cell, với load cell đó, có nghĩa phép bù sai số thực triệt để Một hệ thống số điển hình bao gồm số load cell số nối với máy tính, PLC thiết bị đo hiển thị Bên hệ thống, load cell độc lập nhận dạng địa làm việc Địa làm việc cài đặt người lập trình thơng qua nhiều địa cung cấp nhà máy Thông thường địa “0” sử dụng địa làm cho tất load cell trả lời, số nối tiếp load cell sử dụng để yêu cầu địa xác định Các load cell số hoạt động chương trình điều khiển kiểu Master/Slave, định nghĩa thiết bị (thường PC indicator) master mạng Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất q trình truyền phát cách giao tiếp với slave cách tuần tự, master gửi liệu yêu cầu slave trả lời theo địa Chế độ thứ có ưu điểm mềm dẻo nắm bắt lỗi, chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp Hầu hết load cell số kết nối theo chuẩn RS485 RS422 Cả hai kiểu giao thức có đặc tính tương tự cung cấp môi trường multi-drop Việc giao tiếp thiết bị nối mạng dựa giao thức quy định nhà sản xuất Có lẽ điểm khác biệt quan trọng hệ thống load cell tương tự số nối với load cell số hoạt động thiết bị độc lập 16 c) Ưu điểm nhược điểm  Ưu điểm: - Tín hiệu số “khỏe”, bị ảnh hưởng nhiễu điện từ thay đổi nhiệt độ thất thường đường dây cable dẫn - Khoảng cách dây cáp dẫn kéo dài đến 1200m - Dễ dàng thay load cell - Dữ liệu số xử lý trực tiếp máy tính, PLC hiển thị cần - Mỗi load cell thiết bị hoạt động độc lập hệ thống, mở rộng cấu trúc dễ dàng - Có thể thực tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích thành phần tích hợp - Cân góc cân thực thiết bị Thay đổi, sửa lỗi load cell không ảnh hưởng đến load cell khác Công việc thực dễ dàng đơn giản, tiết kiệm thời gian - Với hệ thống u cầu độ xác vừa thấp tự động chỉnh định mà không cần tải chết - Load cell thay mà khơng cần chỉnh định lại - Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 tham gia vào hệ thống - Nhiều hệ thống kết nối điều khiển trạm Chỉ đơn giản mở rộng đường dây cable Tiết kiệm phần cứng phần mềm dễ dàng phát triển Những ưu điểm hệ load cell số cho phép ứng dụng độ xác cao chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ứng dụng yêu cầu điểm đo nằm phân tán phạm vi rộng 17 Kết nối load cell 7.1 Load cell tương tự Hình 10: Sơ đồ đấu dây Trong đó: +Excitation (Điện áp kích thích) đầu vào dương điện áp cung cấp –Excitation đầu vào âm điện áp cung cấp +Output tín hiệu dương load cell –Output tín hiệu âm load cell +sense –sense dây dẫn đựoc nối trực tiếp với Excitation Nói chung để tránh nhiễu Có loại Loadcell có, có loại khơng Có thể nối dược mà không nối Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo nên nối 7.2 Load cell số Load cell số cho phép với nhiều ứng dụng khác Dưới mơ hình ứng dụng điển hình Chú ý: Đầu loadcell số thiết kế theo giao diện Profilebus PC, DeviceNet, EtherNet/IP, ModBus, RS232,RS422,RS485, 4-20mA, 0-10VDC Thậm chí có giao tiếp qua cổng USB Nên ta tùy chọn loại Loadcell có giao diện phù hợp kết nối trực tiếp đến PLC, PC,… 18  Mơ hình 1: Các load cell số cung cấp đầu theo giao diện RS422 RS 485 Các load cell nối với thành cấu trúc hình Junction Box hỗ trợ nối song song load cell số Card RS422/RS485 cho phải kết nối trực tiếp đến máy tính PC PLC Hình 11: Mơ hình ứng dụng  Mơ hình 2: Mơ hình khác với mơ hình có thêm thiết bị bảo vệ SPD cho hệ thống load cell với máy tính chủ, chống lại ảnh hưởng có hại xung điện q áp Hình 12: Mơ hình ứng dụng 19  Mơ hình 3: Với hệ thống load cell số, load cell hoạt động thiết bị độc lập, nhận dạng hệ thống địa Vì vậy, nhiều hệ thống dùng chung thiết bị điều khiển, đơn giản cần đường dây mạng liên kết chúng trạm điều khiển Thông thường trạm chủ quản lý đến 32 load cell số Hình 13: Mơ hình ứng dụng  Mơ hình 4: Trong mơ hình này, hiển thị đóng vai trị trạm chủ giao tiếp trực tiếp với load cell với Junction Box Ngồi chức hiển thị, hiển thị thực số chức điều khiển khác thơng qua đầu vào Hình 14: Mơ hình ứng dụng 20