PHÂN TÍCH và xây DỰNG hệ THỐNG cân KIỂM TRỌNG tải ô tô

3.4 Sơ đồ khối……….32PHẦN A PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CÂN Ô TÔ Tổng quan về cân ô tô điện tử Cân ô tô điện tử là một thiết bị quan trọng trong các ngành công nghiệp.. Khi chọn lắp đặt một trạm

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN—

BÀI TẬP LỚN ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Đề tài:

PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÂN KIỂM TRỌNG TẢI Ô TÔ

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà

Nhóm sinh viên thực hiện : nhóm 2

Đào Đức Cường Nguyễn Mạnh Cường Phạm Văn Cường

Lê Văn Diễn Trần Văn Diễn Nguyễn Như Đạt

Lớp : ĐHCNKT Điện 3- khóa 6

MỤC LỤC

PHẦN A : PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CÂN Ô TÔ

Tổng quan về cân ô tô 4

Nguyên lí chung……… 6

I - Lựa chọn cân II – Các thiết bị cho trạm cân ô tô 2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cảm biến áp trở ( Tenzo)……… 8

2.1.1 Cảm biến áp trở kim loại……… ……… 9

2.1.2 Cảm biến áp trở bán dẫn .11

2.2 Cấu tạo và nguyên lí của Loadcell………15

2.2.1 Cấu tạo Loadcell ……… …………16

2.2.2 Nguyên lí Loadcell…… ……… …………16

2.3 Hộp nối dây (Junction Box)… 18

2.4 Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator).………20

2.5 Kết cấu hầm móng.………21

2.5.1 Kiểu móng hầm chìm……… ……… 21

2.5.2 Kiểu móng hầm nổi.……… 22

2.6 Mặt bàn cân……… …… 22

2.7 Bảng đèn LED……… 23

2.8 Phần mềm quản lí cân……… 24

PHẦN B : XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÂN KIỂM Ô TÔ TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG 3.1 Mô hình hệ thống……….26

3.2 Danh mục các thiết bị và chức năng……… 27

3.3 Lựa chọn thông số thiết bị cân……… 28

3.4 Sơ đồ khối……….32

PHẦN A

PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CÂN Ô TÔ

Tổng quan về cân ô tô điện tử

Cân ô tô điện tử là một thiết bị quan trọng trong các ngành công nghiệp Nó vừa chính xác, tiện lợi, tiết kiệm và là thiết bị không thể thiếu ở Việt Nam hiện nay

1.cân ô tô điện tử là gi?

Cân ô tô điện tử là một thiết bị dùng để xác định trọng lượng của ô tô khi chở hàng hóa nào đó Người ta chỉ cần đưa xe lên cân để cân toàn bộ chiếc xe, trừ hao trọng lượng xe

và rút ra trọng lượng hàng hóa

2 Cấu tạo của cân ô tô: gồm 3 bộ phận

- Móng cân: được làm từ sắt thép, xi măng, gạch…

- Bàn cân: được làm từ thép, hoặc bê tông cốt thép

- Thiết bị điện cho trạm cân ô tô: Cảm biến lực, hộp cộng tín hiệu,đầu hiển thị, bảng led,

và thiết bị phụ trợ khác

3 Phân loại cân ô tô

Cân ô tô được chia làm 3 kiểu, cân ô tô kiểu nổi (Pitless Type), cân ô tô kiểu chìm (Pit Type) , cân ô tô kiểu nửa nổi nửa chìm (Semi Pit Type) Khi chọn lắp đặt một trạm cân ô

tô, các đơn vị công ty thường chọn cân ô tô điện tử lắp kiểu nổi vì nó dễ dàng thuận tiện trong việc vệ sinh, lắp đặt, thay thế, bảo trì thiết bị trạm cân Các cảm biến lực (Loadcell)

và bàn cân nằm hoàn toàn trên mặt đất nên không bị ngập nước (thoát nước tốt nhất) Giảm thiểu tối đa sự tác động của môi trường như: độ ẩm, các loại côn trùng phá hoại trạm cân….Thích hợp cho những nơi có diện tích rộng (do có 2 đầu dốc lên xuống)….sẽ giúp cho thiết bị trạm cân ô tô có được tuổi thọ cao nhất và cũng tránh được sự tác động của môi trường nhất Ngược lại cân ô tô loại chìm và cân ô tô nửa nổi nửa chìm lại được các khách hàng có nhà xưởng chật, hẹp lựa chọn

Nguyên lí chung

Hệ thống cân ô tô hoạt động dựa trên công nghệ cân điện tử.Khi có áp lực do trọng tải của xe lên mặt cân,các cảm biến (Loadcell) sẽ nhận tín hiệu và truyền đến Hộp nối dây – Hộp cộng tín hiệu(Junction Box).Tại đây các tín hiệu từ các Loadcell chuyển đến sẽ được cộng lại và chia trung bình để tìm ra giá trị khối lượng của xe.Giá trị này sẽ được hiển thị ra màn hình thông qua một bộ chuyển đổi và hiển thị.Đó là Đầu cân – Chỉ thị cân(Indicator).Hệ thống sẽ được kết nối với máy vi tính

để điều khiển và quản lí số liệu bằng phần mềm chuyên dụng cân ô tô

Bộ phận chính có nhiệm vụ xác định giá trị trọng tải xe trong hệ thống cân ô tô là

bộ cảm biến gồm các Loadcell được kết nối với nhau.Loadcell hoạt động nhờ vào cơ cấu các cảm biến đo biến dạng – Áp trở(Tenzo) gắn trên nó

I Lựa chọn cân

1.1 Lựa chọn mức MAX của cân:

Mức cân max cân phải phù hợp với yêu cầu thực tế của Quý Khách và dự tính cho tương lai, thông thường giá cân ô tô không phụ thuộc nhiều vào mức cân max

mà thực tế lại phụ thuộc nhiều vào chiều dài của bàn cân

Ví dụ : Cân xe chở xăng dầu, gas, xe chở rác v.v chỉ cần dùng loại cân 30 - 40 tấn Cân xe chở quặng, chở sắt thép thường dùng loại cân từ 80 - 150 tấn.

1.2 Lựa chọn kích thước bàn cân:

Kích thước bàn cân cần phù hợp với chiều dài xe thường cân để tránh lãng phí tiền bạc và diện tích bố trí cân vì ngoài đường lên cân còn có đường tránh Kích thước bàn cân thường có các quy cách sau : Chiều ngang thường là 3m, chiều dài có các mức 10m, 12m, 14m, 16m, 18m Bàn cân càng dài càng nhiều tiền hơn.

1.3 Lựa chọn kiểu cân chìm hay nổi:

Phụ thuộc vào địa hình và thế đất của Công ty.

- Cân nổi : Nằm hoàn toàn trên mặt đất nên việc bảo trì rất ít, vệ sinh dễ dàng nhanh chóng Không bị ảnh hưởng nhiều của môi trường bên ngoài, chi phí xây dựng móng cân thấp.

- Nhược điểm : Chiếm nhiều diện tích làm đường dốc lên xuống.

- Cân chìm : Nằm chìm hoàn toàn dưới đất nên chỉ chiếm diện tích đúng bằng kích thước của bàn cân Không ảnh hưởng đến mỹ quan chung của nhà máy

- Nhược điểm :Hầm cân chìm chi phí xây dựng lớn Phải làm vệ sinh thường kỳ do rác bùn đất rơi xuống, phải bơm nước khi mưa xuống không nước ngập sẽ làm hỏng cảm biến của cân Dễ bị chuột làm tổ và cắn đứt dây tín hiệu của cân

1.4 Lựa chọn bước nhảy của cân:

Bước nhảy của cân ( d hay e ) có thể là 5kg, 10 kg tùy theo nhà sản xuất nhưng tổng số bước nhảy n của cân không được quá 10.000e theo quy định cân cấp 3 Mức cân Max

Tổng số bước nhảy n = - < 10.000

Bước nhảy của cân

Hai ô tô cùng có mức cân Max là 80 tấn và cùng kiểm định đạt tiêu chuẩn nhưng

có bước nhảy khác nhau là : 10 kg và 20 kg thì cân có bước nhảy 10 kg có sai số cho phép nhỏ hơn

1.5 Lựa chọn thiết bị cân :

Thông thường các thiết bị đồng bộ do một hãng sản xuất có độ tương thích giữa các thiết bị tốt hơn nên độ ổn định và độ bền cao hơn các thiết bị đơn lẻ.

Trên thế giới có nhiều hãng sản xuất thiết bị cân, nhưng Mettler – Toledo là một trong những tập đoàn hàng đầu thế giới về lĩnh vực này.

1.6 Lựa chọn khung bàn cân :

Khung bàn cân ô tô là bộ phận quan trọng nhất đảm bảo sự cứng vững và ổn định lâu dài của cân, khung bàn cân lại chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành và phần lớn được sản xuất tại Việt Nam, tùy thuộc vào tiêu chí phục vụ của nhà sản xuất mà thị trường có 2 loại kết cấu khung bàn cân :

- Loại kết cấu bằng tôn dập chữ U, chữ C.

- Loại kết cấu bằng thép I đúc nhập khẩu

Loại kết cấu bằng tôn dập có lợi thế là giá tôn tấm thường rẻ hơn thép I đúc nhập khẩu và tương ứng là giá thành khung bàn cân cũng rẻ hơn Ngược lại loại kết cấu bằng thép I đúc nhập khẩu lại có độ bền lâu dài cao hơn hẳn.

Do vậy tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của khách hàng: loại kết cấu bằng tôn dập, loại khung này thường có giá bán tổng thể của cân rất rẻ, ngược lại kết cấu bằng thép I đúc nhập khẩu sẽ giảm thiểu được những chi phí sửa chữa sau này mà nhiều khi không tính trước được.

II Các thiết bị cho trạm cân oto

2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cảm biến áp trở ( Tenzo) :

* Nguyên lí hoạt động chung :Cảm biến áp trở hoạt động dựa trên hiệu ứng áp

trở (Piezo resistive effect): “ khi vật dẫn chịu biến dạng cơ học thì điện trở của nó thay đổi”

Như ta đã biết điện trở của một vật dẫn được biểu diễn bằng biểu thức

R = ρ

S l

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng ΔR.Ta có:

ΔR/R = Δl/l + Δρ/ρ – ΔS/S

Nếu gọi:

εR = ΔR/R : lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

εl = Δl/l : lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

ερ = Δρ/ρ : lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất

εS = ΔS/S : lượng biến thiên tương đối theo tiết diện

Ta có thể viết lại dưới dạng : εR = εl + ερ – εS

Trong cơ học ta đã biết: εS = -2k pεl và ερ = cεv

Từ các biểu thức trên ta có : εR = εl(1 + 2k p +m) = Kεl

K : độ nhạy của cảm biến áp trở

- Với vật liệu lỏng ( thủy ngân,chất điện phân),V = l.S không đổi,kp = 0,5,bỏ qua m (m rất nhỏ) ta có K = 2

- Với kim loại : k p = 0,24 ÷ 4 ta có K = 0,5 ÷ 4

- Với chất bán dẫn : quan hệ giữa điện trở suất ρ và ứng lực σ được biểu diễn bằng biểu thức : ερ = k 1σ = k 1 Eεl = mεl

k 1 : hệ số

E : môđun đàn hồi

Do m rất lớn nên hệ số k = 1 + k p + m cỡ từ 100 ÷ 200 trong điều kiện bình thường Cảm biến áp trở chia thành hai dạng cơ bản là áp trở kim loại và áp trở bán dẫn2.1.1 Cảm biến áp trở kim loại

Cảm biến áp trở kim loại được chế tạo theo 3 dạng cơ bản : dây mảnh,lá mỏng và màng mỏng

a.Áp trở dạng dây mảnh : gồm có dây điện trở uốn hình răng lược,đường kính 0,02

÷ 0,03 mm.Hai đầu dây hàn với 2 lá đồng Berin hoặc đồng phốt pho để nối với mạch đo.Hai phía dán hai tấm giấy mỏng 0,1 mm hoặc nhựa polymide ( 0,03 mm) để cố định hình dáng dây,chiều dài dây L = nl o ( l o :độ dài một đoạn dây,n :số đoạn);

n = 10-20 Bình thường l o = 8 ÷ 15 mm,có thể tới 100 mm hoặc có thể nhỏ hơn 2,5 mm.Chiều rộng a o = 3 ÷ 10 mm

Điện trở dây R = 10 ÷ 150Ω và có thể tới 800 ÷ 1000 Ω

b Áp trở dạng lá mỏng : là một lá rất mỏng có độ dày 4 ÷ 12 μm làm từ hợp kim Constantan,chế tạo theo phương pháp ăn mòn quang học.Ưu điểm là có kích thước nhỏ,hình dáng linh hoạt,độ nhạy lớn ít chịu biến dạng ngang do chế tạo và điện trở lớn

c Áp trở dạng màng mỏng : chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại có độ nhạy cao bám vào một khung có hình dạng định trước,Ưu điểm là có thể chế tạo với hình dáng phức tạp,kích thước nhỏ,điện trở ban đầu lớn,độ nhạy cao

Hình 2.1 : Sơ đồ cấu tạo áp trở kim loại a) Áp trở dạng dây mảnh b) Áp trở dạng lá mỏng

d Yêu cầu vật liệu chế tạo áp trở

+ Độ nhạy : Thông thường K nằm trong khoảng 1,8 ÷ 2,35 ± 0,1.Với hợp kim platin-vonfram K = 4,1

+ Hệ số nhiệt cần nhỏ vì điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ.R T = R o [ 1 +

αt(T – T o )],trong đó R o : điện trở ở nhiệ độ chuẩn T o ,do đó αt nhỏ sẽ làm cho cảm biến ít bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

+ Điện trở suất : phải đủ lớn để giảm kích thước và độ dài dây

+ Vật liệu chọn cần chịu được ứng lực lớn để tránh đứt khi chế tạo và sử dụng.Ứng lực tối đa không nên biến dạng cố định có trị số lớn hơn 0,2%( Độ lớn của giới hạn đàn hồi đo bằng kgN/mm 2 )

Bảng 2.1 : Đặc tính một số vật liệu chế tạo áp trở kim loại

S b ,Ga,n…vào một phần của đế đơn tinh thể Silic đã pha tạp.Tùy theo loại tạp chất khuếch tán mà ta cóa áp trở loại n hoặc loại p

Hình 2.3 : Áp trở bán dẫn loại khuếch tán

2.1.2.3 Nguyên lí hoạt động : bình thường các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bằng nhau,độ dẫn điện không thay đổi.Khi bị biến dạng,kích thước các ô mạng tinh thể thay đổi làm cho nồng độ điện tử trong vùng đó độ dẫn thay đổi theo làm cho điện trở bị thay đổi

2.1.2.4 Yêu cầu vật liệu chế tạo

a Điện trở suất : ρ chịu ảnh hưởng của độ pha tạp và nhiệt độ

- Ảnh hưởng của độ pha tạp : khi tăng độ pha tạp,mật độ hạt dẫn tăng lên làm cho điện trở suất giảm

ρ = 1/[q(μ n n + μ p p)]

q : giá trị tuyệt đối của điện tích điện trở hoặc lỗ trống

n,p : mật độ điện tử và lỗ trống tự do

μ n ,μ p : độ linh động của điện tử và lỗ trống

-Ảnh hưởng của nhiệ độ : khi nhiệt độ nhỏ hơn 120 o C,hệ số nhiệt dương và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên ; ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt âm và không phụ thuộc vào

độ pha tạp

Hình 2.4 : Sự phụ thuộc ρ vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ

b Độ nhạy : K phụ thuộc vào độ pha tạp,độ biến dạng,nhiệt độ

- Ảnh hưởng của độ pha tạp :

khi độ pha tạp tăng,K giảm

Hình 1.5 : Sự phụ thuộc K vào độ pha tạp -Ảnh hưởng của độ biến dạng : K = K 1 + K 2ε + K 2ε2

Tuy nhiên với độ biến dạng dưới một giá trị cực đại nào đó thì K không đổi

-Ảnh hưởng của nhiệt độ : khi nhiệt độ tăng,K giảm.Tuy nhiên

khi độ pha tạp lớn (N d = 10 20 cm -3 ),K ít phụ thuộc nhiệt độ

Nhược điểm là độ bền cơ học kém

Khi đo cảm biến áp trở được gắn vào bề mặt cấu trúc cần khảo sát,khi bề mặt cấu trúc bị biến dạng thì cảm biến cũng chịu một biến dạng như bề mặt cấu trúc.

Mô hình vị trí lắp đặt của các Loadcell trên bàn cân như hình vẽ dưới đây(cho bộ cảm biến dùng 6 Loadcell)

Các Loadcell

Hình 2.7 :Sơ đồ vị trí lắp đặt các Loadcell

Hình 2.8 :Vị trí lắp đặt Loadcell

2.2.1 Cấu tạo của Loadcell :

Hình 2.9 :Hình ảnh Loadcell thực tế và cấu tạo Cấu tạo cơ bản của Loadcell gồm có trụ thép,chịu tác động trực tiếp của trọng lượng,trên trụ thép gắn 4 cảm biến áp trở.Các áp trở trên được nối thành mạch cầu

4 nhánh

2.2.2 Nguyên lí Loadcell :

Hình 2.10 : Sơ đồ tương đương Loadcell Khi trụ thép chịu lực tác dụng ( trong hệ thống cân là trọng lượng của xe ) sẽ bị biến dạng theo trục X và Y (Hình 7) làm cho các áp trở biến dạng theo.Điện trở áp trở A tăng lên ΔR và áp trở B giảm ΔR

Lúc đó điện áp ra U AB (Hình 8) thay đổi theo công thức

U ra = e.ΔR/R

R : điện trở ban đầu các áp trở

ΔR : độ biến thiên điện trở áp trở khi có biến dạng

Điện áp ra U ra này tỉ lệ với lực tác động (trọng lượng xe trong cân ô tô)

Sự thay đổi điện áp ra này chính là tín hiệu của Loadcell mà ta cần.Tín hiệu này

sẽ được truyền đến hộp nối dây (Junction Box).Đây là tín hiệu tương tự Analog Công nghệ Loadcell giới thiệu ở trên là công nghệ Analog.Hiện nay,ngoài công nghệ Analog,trong các hệ thống cân ô tô còn ứng dụng công nghệ Digital – Công nghệ số

Hình 2.11 : Loadcell Digital ( Digital Powercell ) Loadcell Digital có bộ vi xử lí riêng với công nghệ kí thuật số,tín hiệu xuất ra là tín hiệu số.Ngoài ra Loadcell Digital con có bộ chống sét riêng nên có thể hoạt động tôt trong thời tiết mưa bão

Bảng 2.3 So sánh công nghệ cân Analog và công nghệ cân Digital

Tự động điều chỉnh các thông số môi

Hoạt động tốt khi phải có đủ các Loadcell thiếu 1 vẫn hoạt động

tốt

Già thành công nghệ Digital cao hơn 30% so với công nghệ Analog nhưng do tính

ưu việt,kĩ thuật cao,độ bền cao,chất lượng tốt,độ chính xác tối ưu,mang lại hiệu quả kinh tế cao nên trên thế giới hiện nay sử dụng công nghệ Digital 60%

2.3 Hộp nối dây - Hộp cộng tín hiệu ( Junction Box) :

Hộp nối dây là nơi kết nối các Loadcell lại với nhau,tùy từng loại mà có thể kết nối được 4,6,8…Loadcell với nhau

Hình 2.12 : Sơ đồ hộp nối dây 6 Loadcell

Nguyên tắc của hộp nối dây là cộng tất cả các tín hiệu thu được từ các Loadcell nối vào nó rồi chia trung bình để tìm ra khối lượng chính xác của vật cần cân

Hình 1.13 : Hình dáng 1 hộp nối dây J-Box Tín hiệu từ J-Box sẽ được truyền đến đầu cân (Indicator)

2.4 Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator) :

Đầu cân là thiết bị nhận tín hiệu từ Loadcell thông qua hộp nối dây và thực hiệnviệc chuyển đổi A/D (Analog/Digital),từ đó hiển thị thông số nhờ vào vi mạch và phần mềm trong nó.Thông thường Indicator cũng là bộ phận cấp nguồn cho Loadcell

Đầu cân được kết nối tới máy tính để truyền dữ liệu qua cổng giao tiếp truyền thông RS 232.Trên đầu cân có máy in để in phiếu cân.Nguồn cấp cho đầu cân có thể dùng Pin hoặc nguồn xoay chiều 220 V

Hình 2.14 : Đầu cân Analog Ứng với công nghệ Digital cũng có loại Indicator chuyên biệt.Loại này không thực hiện chuyển đổi Analog/Digital nữa mà nhận trực tiếp tín hiệu số từ Loadcell để xử lí.Digital Indicator có thể kết nối với nhiều Loadcell hơn Analog Indicator