BÀI TẬP LỚN ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN: PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÂN KIỂM TRỌNG TẢI Ô TÔ

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ CÂN KIỂM TRỌNG TẢI Ô TÔ 2 1. Nguyên lí vận hành hệ thống 2 2. Cấu tạo cơ bản của hệ thống cân ô tô 2 2.1 Bàn cân 2 2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của loadcell 3 2.2.1 Cảm biến điện trở lực căng Strain gauses 5 2.3 Cách lắp đặt loadcell 12 2.4. Hộp nối dây Hộp cộng tín hiệu ( Junction Box) : 13 2.5 Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator): 14 2.6. Kết cấu hầm móng : 15 2.6.1 . Kiểu móng hầm chìm ( Pit Type ) 15 2.6.2 . Kiểu móng hầm nổi ( Pitless Type ) 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN Ô TÔ 100 TẤN 17 2.1. Mô hình hệ thống 17 2.2. Danh mục các thiết bị và chức năng 18 2.3. Lựa chọn thông số cân,thiết bị cân 19 2.3.1. Lựa chọn thông số cân 19 2.3.2 Lựa chọn kích thước bàn cân 20 2.3.3. Lựa chọn kiểu hầm móng 20 2.3.4 Lựa chọn khung bàn cân,sàn cân 20 2.3.5 Lựa chọn thiết bị 21 2.3.6 Các đặc tính kĩ thuật từng thiết bị như sau : 21 CHƯƠNG 3 : KẾT LUẬN 24

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 : Hà Văn Phương

Nhóm thực hiện đề tài : Nhóm 7

Bùi Doãn Quang

Hà Nội - 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ CÂN KIỂM TRỌNG TẢI Ô TÔ 2

1 Nguyên lí vận hành hệ thống 2

2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống cân ô tô 2

2.1 Bàn cân 2

2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của loadcell 3

2.2.1 Cảm biến điện trở lực căng Strain gauses 5

2.3 Cách lắp đặt loadcell 12

2.4 Hộp nối dây - Hộp cộng tín hiệu ( Junction Box) : 13

2.5 Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator): 14

2.6 Kết cấu hầm móng : 15

2.6.1 Kiểu móng hầm chìm ( Pit Type ) 15

2.6.2 Kiểu móng hầm nổi ( Pitless Type ) 16

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN Ô TÔ 100 TẤN 17

2.1 Mô hình hệ thống 17

2.2 Danh mục các thiết bị và chức năng 18

2.3 Lựa chọn thông số cân,thiết bị cân 19

2.3.1 Lựa chọn thông số cân 19

2.3.2 Lựa chọn kích thước bàn cân 20

2.3.3 Lựa chọn kiểu hầm móng 20

2.3.4 Lựa chọn khung bàn cân,sàn cân 20

2.3.5 Lựa chọn thiết bị 21

2.3.6 Các đặc tính kĩ thuật từng thiết bị như sau : 21

CHƯƠNG 3 : KẾT LUẬN 24

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 vàtruyền 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 trịkhối lượng của xe.Giá trị này sẽ được hiển thị ra màn hình thông qua một bộchuyển đổi và hiển thị.Đó là đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator).Hệ thống sẽ đượckết nối với máy vi tính để điều khiển và quản lí số liệu bằng phần mềm chuyêndụng 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 độngnhờ vào cơ cấu các cảm biến đo biến dạng – Áp trở (Tenzo) gắn trên nó

2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống cân ô tô

2.1 Bàn cân

Vật liệu cấu tạo: ở đây làm bằng kim loại

Là thiết bị chịu trực tiếp trọng tải của xe, là nơi gắn các cảm biến, hộp nói dây.

Kích thước bàn cân với tải trọng 100 tấn:

3m×18m thường dùng 8 loadcell, mức cân max= 100 tấn

2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của loadcell

Loadcell là những cảm biến lực( khối lượng, moomen xoắn…)

Cấu tạo: gồm các điện trở Strain gauses R1, R2, R3, R4 Kết nối thành một điện trở Wheatstone và được dán vào bề mặt than loadcell

Cầu điện trở wheatstoneMột điện áp kích

có sự chuyển đổi từ tác dụng lực thành tín hiệu điện)

Sự thay đổi điện áp tuy rất nhỏ ,chúng ta chỉ có thể đo được và chuyểnthành số sau khi đi qua bộ thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell( góc (1) và(4)) và điện áp đầu ra được đo giữa hai góc còn lại

Lúc trạng thái không tải( cân bằng ), điện áp tín hiệu ra là số 0, hoặc ≈0 khi

4 điện trở được gắn phù hợp về giá trị

Khi bị kéo – nén, điện trở strain gauses sẽ thay đổi, tỉ lệ thuận với biên độkéo- nén làm thay đổi chiều dài và tiết diện của sợi kim loại Strain gauses dẫnđến sự thay đổi điện áp đầu ra nếu có một điện áp kích thích được cung cấp vàongõ của loadcell( lúc này khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử

Màn hình hiển thị cân điện tử

2.2.1 Cảm biến điện trở lực căng Strain gauses

a) Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Strain gauses là thành phần cấu tạo chính của loadcell, nó bao gồm một sợi dâykim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi

Để tăng chiều dài của dây điện trở strain gauge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi bị lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain gauge

Trong đó:

R= Điện trở strain gauge (Ohm)

S = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

A = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)p= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

Nguyên lí hoạt động:

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở,khi dây bị lực nén, chiều

dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống, khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động Lúc đó điện áp ra UAB (Hình 8) thay đổi theo công thức :

Ura = e.ΔR/R

Trong đó:

R: điện trở ban đầu của các áp trở

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

b) Các loại cảm biến điện trở lực căng

 Cảm biến áp điện trở kim loại

Cảm biến áp trở kim loại được chia làm 3 dạng: dây mảnh, lá mỏng

và màng mỏng

- Áp trở dạng dây mảnh

Gồm dây điện trở uốn hình dạng lược với đường kính 0.02- 0.03mm Hai đầu dây hàn với hai lá đồng Berin hoặc đồng photpho để nối với mạch đo Hai phía dán hai tấm giấy mỏng 0.01mm hoặc nhựa polime( 0.03 mm) để cố định hình dáng dây Điện trở dây R=10÷150Ω và có thể tới 800÷1000Ω

- Áp trở dạng lá mỏng

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

- 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, với ưu điểm là có thể chế tạo với hình dáng phức tạp, kích thước nhỏ, điện trở ban đầu lớn, độ nhạy cao

a, áp trở dạng dây mảnh b, áp trở dạng lá mỏng

- 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 T0 ,

do đóαt 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/mm2

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

(10 -6 1/ o K)

ρ (mm 2 / m)

+ Loại cắt : là một mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể pha tạp Các mẩu cắt này

được gắn lên một giá đỡ bằng nhựa có chiều dài l = 0,1 ÷ 5 mm,dày 10-2 mm

Áp trở bán dẫn loại cắt

+ Loại khuếch tán : điện trở được tạo nên bằng cách khuếch tán tạp chất

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

Áp trở bán dẫn loại khuếch tán

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 ômạng tinh thể thay đổi làm cho nồng độ điện tử trong vùng đó độ dẫn thay đổitheo làm cho điện trở bị thay đổi

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 làmcho điện trở suất giảm

ρ = 1/[q(μq(μnn + μpp)]

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

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

μn,μp : độ linh động của điện tử và lỗ trống

-Ảnh hưởng của nhiệtđộ : khi nhiệt độ nhỏ hơn 120 oC,hệ số nhiệt dương vàgiảm dần khi độ pha tạp tăng lên ; ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt âm và không phụthuộc vào độ pha tạp

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

Sự phụ thuộc K vào độ pha tạp

- Ảnh hưởng của độ biến dạng : K = K1 + K2ε + K2ε2

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 (Nd = 1020 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 mặtcấu trúc bị biến dạng thì cảm biến cũng chịu một biến dạng như bề mặt cấu trúc

 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

l S

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi mộtlượng 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 = -2kpεl và ερ = cεv

kp : hệ số Poisson

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,bỏqua m (m rất nhỏ) ta có K = 2

- Với kim loại : kp = 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 diễnbằng biểu thức : ερ = k1σ = k1Eεεl= mεl

k1 : hệ số

Eε : môđun đàn hồi

Do m rất lớn nên hệ số k = 1 + kp + m cỡ từ 100 ÷ 200 trong điều kiện bình

Các Loadcell

Hình 2.7 :Sơ đồ vị trí lắp đặt các Loadcell

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

Hộp nối dây là nơi kết nối các Loadcell lại với nhau

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

Hình dáng 1 hộp nối dây J-Box

Tín hiệu từ J-Box sẽ được truyền đến đầu cân (Indicator)

2.5 Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator):

Đầu cân là thiết bị nhận tín hiệu từ Loadcell thông qua hộp nối dây vàthực hiện việc 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 cấpnguồn cho Loadcell

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

Đầu cân Analog

Ứng với công nghệ Digital cũng có loại Indicator chuyên biệt.Loại nàykhông thực hiện chuyển đổi Analog/Digital nữa mà nhận trực tiếp tín hiệu số từLoadcell để xử lí.Digital Indicator có thể kết nối với nhiều Loadcell hơn AnalogIndicator

Digital Indicator 2.6 Kết cấu hầm móng :

Hiện nay có hai dạng hầm móng chính được sử dụng trong hệ thống cân

ô tô : Kiểu móng hầm chìm ( Pit Type )và Kiểu móng hầm nổi ( Pitless Type ) Tùy theo vị trí lắp đặt cân mà lựa chọn kiểu hầm móng thích hợp

2.6.1 Kiểu móng hầm chìm ( Pit Type )

Mô hình kiểu móng hầm chìm

a Ưu điểm :

- Gọn,không có bờ dốc,diện tích tối thiểu,có thể kiêm luôn đường đi

- Dễ cho xe vào cân,xe dễ di chuyển

- Chiếm ít diện tích đất sử dụng

- Không làm hạn chế tầm nhìn của nhà máy

- Chiều cao thấp nên không bị ảnh hưởng của gió

- Bàn cân thấp,chi phí xây dựng thấp

b Nhược điểm :

- Khó bảo hành,bảo trì cân

- Khó làm vệ sinh cân vì phải chui xuống hầm cân

2.6.2 Kiểu móng hầm nổi ( Pitless Type )

Mô hình kiểu móng hầm nổi

- Chịu tác động của gió nhiều hơn

- Diện tích nhiều vì có hai bờ dốc

Mô hình hệ thống

Sơ đồ liên kết các thiết bị trong hệ thống 2.2 Danh mục các thiết bị và chức năng

Các thiết bị được sử dụng trong hệ thống là :

- Bộ cảm biến lực Loadcell : Gồm 6 Loadcell

- 1 hộp nối dây Junction Box

- 1 đầu cân Indicator

Đầu cân

nhận tín hiệu từ bộ cảm biến và xửlí,hiển thị thông số,truyền dữ liệu vào

máy tính

1

Bàn cân thép là nơi lắp đặt cảm biến và chịu tải trọng

2.3 Lựa chọn thông số cân,thiết bị cân

2.3.1 Lựa chọn thông số cân

Mức cân max : Do đặc thù về hàng hóa và nguyên vật liệu của nhà máy sảnxuất xi măng là

- Clinker

- Thạch cao

- Phụ gia xi măng (hoạt tính hoặc không hoạt tính)

Vì vậy để phù hợp về tài chính,chúng em lực chọn cân có mức cân max là 100tấn

- Phân độ chia : Theo quy định cân cấp 3

Với mức cân max 100 tấn và yêu cầu về độ chính xác ta có thể chọn phân độchia là 7 Kg

Sai số cho phép là ± 0,2%

2.3.2 Lựa chọn kích thước bàn cân

Đa số các loại xe tải vận chuyển trong nhà máy sản xuất xi măng thường

là loại trung và nhỏ,nên ta có thể lựa chọn bàn cân 3m x 18m cho phù hợp về tàichính

2.3.3 Lựa chọn kiểu hầm móng

Nhà máy sản xuất xi măng thường đặt ở đồng bằng,và để tiện cho côngtác bảo trì,bảo dưỡng,vệ sinh,sửa chữa.Chúng em lựa chọn kiểu cân nổi

Kiểu hầm móng và hướng 2.3.4 Lựa chọn khung bàn cân,sàn cân

Khung bàn cân là bộ phận đảm bảo sự vững chắc và ổn định lâu dài củacân.Hiện nay trên thị trường có hai loại kết cấu khung bàn cân :

- Loại kết cấu tôn dập chữ U,chữ C, giá thành rẻ,nhưng độ bền không

cao,thích hợp cho những dự án ngắn hạn sau một vài năm

- Loại kết cấu chữ I bằng thép đúc nhập khẩu, độ bền cao,thích hợp cho

những nhu cầu ổn định lâu dài

Trên cơ sở đó,chúng em lựa chọn khung cân kết cấu chữ I bằng thép đúcnhập khẩu,phục vụ cho nhu cầu lâu dài và giảm thiểu những chi phí sửa chữasau này mà nhiều khi không tính được

Các thông số khung và sàn cân như sau :

Bảng đèn LEεD hiển thị phụ Mettler – Toledo

- Sai số tuyến tính : 0,02 % R.O

- Sai số lặp lại : 0,02/0,01 % R.O

- Cấp chính xác : Theo chuẩn quốc tế OIML,NTEεP

- Nhiệt độ làm việc : -10oC đến 40oC

- Chịu được biến thiên nhiệt : -30oC đến 70oC

- Nguồn cung cấp :5 – 15 VDC

- Cấp bảo vệ đạt chuẩn IP 68

b Chỉ thị cân Indicator (Model 8142 hoặc Kingbrid) :

- Độ phân giải theo tiêu chuẩn TC CEε,OMIL

- Hiển thị 7 chữ số,màn hình Katot,hiển thị khối lượng tịnh,tổng ,thực

- Chống sét cho dây pha và dây trung tính

Ngoài ra còn có bộ chân đế định tâm (Mounting kit) kèm theo Loadcell,bộgiảm chấn gồm 4 bộ ngang và 4 bộ dọc ở 4 góc cân,hệ thống dây cáp điện tiêuchuẩn

Sơ đồ khối hệ thống cân ô tô

- Phân tích được một cách khái quát về hệ thống cân kiểm trọng tải ô tô

( các thiết bị,các loại cảm biến sử dụng cũng như các công nghệ đượcứng dụng )

- Xây dựng được một hệ thống cân ô tô với đầy đủ các thiết bị chủ yếu

Với bản thân :

- Nâng cao kĩ năng làm việc theo nhóm

- Tích lũy thêm được những kiến thức bổ ích

b Hạn chế :

- Do kiến thức còn hạn chế nên trong việc làm bài vẫn còn một số sơ sài

- Do không có tích lũy thực tế nên bài làm không tránh khỏi có những sai

sót

c Khắc phục :

- Chúng em đã cố gắng tìm các tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau để bổ

sung những thiếu sót

- Chúng em cũng đã đi tìm hiểu thực tế để bài làm sát với thực tế hơn

Với những cố gắng chúng em cũng đã hoàn thành bài làm của mình,nhưngnhất định không tránh khỏi thiếu sót.Chúng em rất mong nhận được sự nhận xétgóp ý từ các thầy cô.Chúng em xin chân thành cảm ơn !