Hệ thống cân điện tử

Trạm cân oto điện tử là 1 thiết bị cần thiết cho cuộc sống. Cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell là chủ yếu. Trạm cân oto là 1 đề tài phổ biến trong môn học đo lường và cảm biến. Mong bài làm của chúng mình có thể giúp được các bạn ít nhiều

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: Tự động hóa trong hệ thống cân kiểm tra trọng tải ô tô

BỘ MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Mai Thế Thắng

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

 Phân loại xe theo kích thước trước khi cân

 Tìm hiểu tổng quan về HT cân tải trọng

 Giới thiệu về các thiết bị chính

 Tính toán, lựa chọn :

 Xác định tín hiệu vào ra cho cảm biến

 Phương pháp , vị trí lắp đặt cảm biến

 Các lựa chọn và bố trí các thiết bị khác

 Sơ đồ khối hệ thống

 Sơ đồ điều khiển

 Đánh giá sai số của HT(giới hạn,nguyên nhân,biện pháp khắc phục)

làm hư hại nhiều tuyến đường dẫn đến tình trạng xụt nún , tạo thành các hố gây cảntrở giao thông cho người tham gia giao thông.

Theo thống kê của bộ Giao thông vận tải Việt Nam thì vận chuyển bằng đường

bộ chiếm tỉ trọng rất lớn qua kiểm tra thì thấy rất nhiều các phương tiện lợi dụngchở khối lượng cho phép lên đến trên 50% số lượng xe chở quá trọng tải có nhữngtrường hợp xe vượt quá 150%

Qua những dẫn chứng trên thì hệ thống cân xe tải là phương tiện , trang bị chocác cơ quan chức năng và nhà máy sản xuất hàng hóa để phục vụ nhu cầu sử dụngnhư xuất nhập khẩu và quản lý hàng hóa.Cân ô tô hiện nay đã trở nên một thànhphần cần thiết,tranh bị cho các nhà máy sản xuất chế biến,cân hàng hóa phục vụcông tác quản lí hàng hóa nhập xuất,nguyên vật liệu cho sản xuất trong nhà máycũng như là công cụ phục vụ cho các mô hình ISO,TQM…

Cân ô tô góp phần quản lí, kiểm tra nguyên vật liệu cho quy trình sản xuất vàhàng hóa xuất kho

Cân ô tô giúp cho nhà máy có thể kiểm tra được nguyên vật liệu tồn kho cũngnhư khả năng dự trữ tối đa của nhà máy giúp cho công tác quản trị cung ứng được

dễ dàng hơn,nhà quản lí có thể tham chiếu số liệu báo cáo để có kế hoạch nhậpnguyên vật liệu sản xuất thích hợp

Từ những cơ sở đó chúng em thấy hệ thống cân xe tải đang thực sự rất cần thiếttrong những hoạt động quản lý hàng hóa hiện nay mà nhóm em được giao nhiệm

vụ tìm hiểu tính quan trọng và thực tế của đề tài

Bài làm gồm có hai phần chính :

+ Phần 1 : Phân tích công nghệ cân ô tô

Phần 1 do sinh viên : Tạ Bình Dương , Quách Văn Nam , Nguyễn Minh Tuấn ,Nguyễn Trung Kiên phụ trách

+ Phần 2 : Xây dựng hệ thống cân ô tô

Phần 2 phụ trách : Nguyễn Văn Tiến 1041240049 , Nguyễn Đức Nam , ĐỗQuang Tùng

+ Phần 3: Kết luận : Đỗ Văn Nam phụ trách

Sau đây là phần trình bày bài làm của nhóm , do kiến thức và kinh nghiệm vẫncòn hạn chế , chắc chắn bài làm của chúng em cũng không thể tránh được nhữngthiếu sót

Nhóm em rất mong nhận được những nhận xét và góp ý của thầy(cô)

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên làm đề tài

MỤC LỤC

Lời nói đầu ……… 3

Phần I :Phân tích công nghệ cân ô tô ……… 6

I Tổng quan hệ thống cân tải ô tô……… 6

1 Cân ô tô là gì? 6

2 Mô hình và nguyên lí cân ô tô 7

3 Phân loại kiểu cân và loại cân 8

4 Giới thiệu các thiết bị chính và phân tích các công nghệ cân ô tô………… 10 Phần III : Kết luận ………

48

PHẦN 1 : PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CÂN Ô TÔ

I Tổng quan về hệ thống cân tải ô tô

1 Cân ô tô là gì?

Cân ô tô là thiết bị để đo trọng lượng hàng hóa nó sẽ cân toàn bộ trọng lượngcủa xe tải bao gồm cả hàng hóa trong xe sau đó trừ đi trọng lượng của xe đểtính ra trọng lượng hàng hóa

Phần II : Tính toán và xây dựng hệ thống cân kiểm ô tô theo yêu cầu 34

2.1 Mô hình hệ thống 34

2.2 Lựa chọn các thiết bị 36

2.3 Phương pháp hiệu chỉnh các góc của hệ thống cân sử dụng loadcell………… 37

2.4 Lựa chọn thông số cân , thiết bị cân sàn điện tử loại 15 tấn trong công nghiệp 38

Cân ô tô là một hệ thống gồm 3 bộ phận :

- Kết cấu xây dựng móng cân được làm từ sắt , thép , xi măng , gạch …

- Mặt bàn cân ô tô : được làm từ thép hoặc bê tông cốt thép để chịu lực

- Thiết bị điện cho trạm cân ô tô : cảm biến lực , hộp cộng tín hiệu , đầu hiểnthị , bảng led và các thiết bị phụ trợ khác (hinh ảnh)

Yêu cầu của một hệ thống cân ô tô là phải chính xác, ổn định, chi phí hợp lý

và tuổi thọ lâu bền là những tiêu chí hàng đầu khi đầu tư một trạm cân ô tô Ngoài ra, hệ thống cân còn phải phù hợp với mặt bằng bố trí cân, môi trường

và mục đích sử dụng cân

2 Mô hình và nguyên lý cân ô tô

Hình 1 Mô hình cân ô tô

- Hệ thống cân ô tô hoạt động dựa trên công nghệ cân điện tử Khi có áp lực của trọng tải 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 sẽ được cộng lại và chia trung bình để tìm ra giá trị khối lượng của xe Gía trị này sẽ được hiển thị qua màn hình thông qua một bộ chuyển đổi và hiển thị

Đó là Đầu cân – Chỉ thị cân (Indication).Hệ thống sẽ được kết nối với máy vi tính

để diều khiển và quản lý số liệu bằng phần mềm chuyên dụng của cân ô tô

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

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

3 Phân loại kiểu cân, loại cân

Khi chọn lắp đặt một chạm cân ô tô người ta thường dựa trên những so sánhsau để lựa chon được loại cân phù hợp với nhu cầu sử dụng :

 Thuận tiện trong việc bảo hành

 Diện tích

 Sức chống chịu

 Thoát nước

 Giá thành và tính thẩm mĩ

Có 3 kiểu cân ô tô chính :

+ Kiểu cân nổi (Pitless type),

+ Kiểu cân chìm (Pit type)

+ Kiểu cân nửa chìm (Semi pit type).

Hình 2 Các kiểu cân ô tô

Kiểu cân nổi (Pitless type) Kiểu cân chìm (Pit type) Kiểu cân nửa chìm (Semi

pit type)

Thông số kỹ thuật chính của 3 kiểu cân này như sau: (xem lại bản gốc)

Cân nổi (Pitless Type)

- Sàn cân cao hơn mặt

đường 30cm – 40cm

- Dễ dàng vệ sinh, lắp đặt

hiệu chỉnh và sửa chữa

- Chiếm nhiều diện tích

(do có 2 dốc lên xuống

cân)

- Chịu ảnh hưởng nhiều

Cân chìm (Pit Type)

- Sàn cân bằng hoặc cao hơn mặt đường 1cm – 5cm

- Khó vệ sinh, lắp đặt hiệu chỉnh và sửa chữa

- Chiếm ít diện tích

- Chịu ảnh hưởng của

Cân nửa chìm (Semi Pit Type)

- Sàn cân cao hơn mặt đường 1cm – 10cm

- Khó vệ sinh, lắp đặt hiệu chỉnhvà sửa chữa

- Chiếm diện tích trung bình (do có các hố chờ để lắp đặt loadcell)

của môi trường (nước,

cân (do có hầm cân)

- Thẩm mỹ, hài hòa với khung cảnh chung của nhà máy (do mặt cân phẳng với mặt đường)

- Chi phí hầm cân cao

- Chịu ảnh hưởng của môi trường

(gió, nhiệt độ…) ít hơn cân nổi

- Thoát nước kém, dễ bị ngập cân

(do có hầm cân)

- Thẩm mỹ hơn cân nổi

- Chi phí hầm cân cao

Giải pháp lựa chọn :

Cân điện tử lắp kiểu nổi thường được lựa chọn nhiều nhất khi chọn lắp đặt 1 trạmcân ô tô điện tử Vì những ưu điểm nổi bật hơn cả của loại cân điện tử lắp nổi màcân điện tử loại chìm hoặc nửa nổi nửa chìm không thể có được như: dễ dàng khi

vệ sinh, bảo trì trạm cân và bàn cân cũng như thiết bị nằm nổi hoàn toàn nên sẽgiúp cho thiết bị trạm cân có được tuổi thọ cao nhất và cũng tránh được sự tác độngcủa môi trường nhất Ngược lại cân ô tô loại chìm và kiểu cân nửa chìm lại đượccác khách hàng có nhà xưởng chật, hẹp lựa chọn

Vì thế Nếu mặt bằng đủ rộng nên ưu tiên kểu cân nổi , ngược lại nên ưu tiên cân kiểu chìm Nếu cân trong môi trường hóa chấn phân bón hay các chất ăn mòn mạnh, đòi hỏi cân phải dễ dàng vệ sinh và làm sạch các loại hóa chất có thể rơi vãi trong cân (để bảo vệ bàn cân và loadcell ) thì nên chọn kiểu nổi

4 Giới thiệu các thiết bị chính và phân tích các công nghệ cân ô tô

4.1Bàn cân:

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

Có 2 loại bàn cân là bàn cân thép và bàn cân bê tông

BẢNG SO SÁNH HAI LOẠI SÀN CÂN

BÀN CÂN THÉP

- Khối lượng mặt bàn cân nhẹ

- Chi phí làm bàn cân đắt (do giá sắt

thép cao hơn bêtông)

- Chi phí bảo dưỡng hàng năm lớn

(sơn mặt bàn, khung bàn cân …)

- Không chịu được môi trường khắc

nghiệt như hóa chất, phân bón, muối…

(sắt thép bị ăn mòn)

- Tuổi thọ phụ thuộc vào môi

trường sử dụng và việc bảo dưỡng

hàng năm

- Gia công nhanh

- Dễ dàng chuyển dời sang vị trí

- Sử dụng tốt trong môi trường khắc nghiệt như hóa chất, phân bón, muối …

- Tuổi thọ cao hơn 2-3 lần (trong môi trường bình thường) và >3 lần (trong môi trường hóa chất, phân bón, muối…)

- Thi công chậm hơn (do có thời gianchờ bê tông ổn định)

- Chuyển dời sang nơi khác khó khăn hơn bàn cân thép

BÀN CÂN THÉP BÀN CÂN BÊTÔNG

Hình 3 Bàn cân thép và bàn cân bê tông

Bàn cân có nhiều kích thước bàn cân khác nhau tùy vào người sử dụng mức cân.Kích thước bàn cân thường sử dụng là:

- 3m x 8m :thường dùng 4 loadcell ,mức cân max <= 50 tấn

- 3m x 10m : thường dùng 4 loadcell , mức cân max <= 60 tấn

- 3m x 12m :thường dùng 6 loadcell, mức cân max<= 80 tấn

- 3m x 16m:thường dùng 6 loadcell mức cân max >= 80 tấn

- 3m x 18m:thường dùng 8 loadcell,mức cân max = 100 tấn

4.2Đầu cân - chỉ thị cân.

- Đầu cân là tín thiết bị nhận tín hiệu Từ Loadcell thông qua hộp nối dây vàthực hiện việc chuyển đổi A/D (Analog – Digital) từ đó hiện 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 với máy tính được truyền dữ liệu qua cổng giao tiếptruyền thông RS 232 Trên đầu cân có máy in để in phiếu cân Nguồn cấp cho đầu cân có thể dung pin hoặc nguồn xoaychiều 220V

Hình 4 :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

từ Loadcell để xử lí.Digital Indicator có thể kết nối với nhiều Loadcell hơnAnalog Indicator

Hình 5 Digital Indicator

Ngoại vi giao tiếp: chuẩn RS232/20mA/RS422

 Nguồn cung cấp: Từ 85 đến 264 VAC, 49 đến 63 Hz

 Công suất tiêu thụ: 12W

 Điện áp kích thích Loadcell: 5 VDC

 Cấu tạo vỏ: Hợp kim nhôm

 06 phím chức năng

 Đèn hiểm thị: Đèn huỳnh quang chân không, góc nhìn rộng

 Độ phân giải trong: 1.000.000

 Độ phân giải hiển thị: 10.000 e

 Tốc độ biến đổi A/D: 20 lần/giây

 Tính năng lọc nhiễu bằng kỹ thuật số

 Chức năng cân: Cân thông thường, cân động vật, cân đếm, giữ số hiển thị,cộng dồn

 Kích thước 840mm x 360mm x 190mm

 Kích thước bảng LED thường là 200(cao) x 600(dài) x 150(rộng) mm,hoặc

200 x 600 x 100 mm.Số chữ số hiển thị tùy vào kích thước,thường là hiển thị

5 – 6 số

 Chuẩn nối tiếp RS 232

4.4 Phần mêm quản lý cân (Máy tính và máy in)

 Máy tính

- Phần mềm quản lí chuyên biệt chuyên phục vụ trạm cân điện tử

- Lưu trữ và quản lý dữ liệu bằng máy vi tính các thông tin, số liệu vềkhách hàng như: biển số xe, khối lượng hàng hóa xuất và nhập, thời gian …

- In phiếu cân cho từng mã cân, từng xe hàng Trong phiếu cân thể hiện rõcác thông tin: Biển số xe, tên khách hàng, trọng lượng tổng, trọng lượng xe,trọng lượng hàng, thời gian cân ra, vào…Thống kê chi tiết hàng hóa theotừng mã hàng…

Hình 7 :Giao diện phần mềm WS0 1

- Tương thích các loại bộ chỉ thị cân ô tô có cổng kết nối RS232

- Tùy biến theo yêu cầu khách hàng

- Dữ liệu SQL có khả năng kết nối với các phần mềm quản lý khác

 Máy in

Máy in được kết nối với máy tính và được điều khiển bằng dao diện Thựchiện nhiệm vụ in dữ liệu thông tin sau khi đã được xử lý hoàn chỉnh phục

vụ công tác đo lường, xử lý

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

A 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

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

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: 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 diễn bằng biểu thức :

ερ = k1σ = k1Eεl = mεl Trong đó:

B 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 rang 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 ( 0,03mm) để cố định hình dáng dây,chiều dài dây L = nlo ( lo: độ dài một đoạn dây, n: số đoạn); n = 10-20 Bình thường l0 = 8 ÷ 15 mm,có thể tới 100mm hoặc có thể nhỏ hơn 2,5 mm Chiều rộng a0 = 3 ÷ 10

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

b 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 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 8: 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

RT = Ro [ 1 + αt(T – To)], trong đó Ro: điện trở ở nhiệ độ chuẩn To, 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/mm2)

Bảng 1 : Đặc tính một số vật liệu chế tạo áp trở kim loại

(10-6 1/oK)

ρ(mm2/m)

Cảm biến áp trở bán dẫn được chế tạo từ các chất bán dẫn như Silic,

Germani, Asenua,… chia thành hai loại: loại cắt và loại khuếch tán

a 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

Hình 9: Áp trở bán dẫnloại cắt

b 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 theo loại tạp chất khuếch tán mà ta cóa áp trở loại n hoặc loại p

Hình 10: Áp trở bán dẫn loại khuếch tán

c 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

d Yêu cầu vật liệu chế tạo

+ 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

n + μρ = 1/[q(μnpp)]

Trong đó:

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 nhiệ độ: khi nhiệt độ nhỏ hơn 120

oC, 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 11: Sự phụ thuộc ρ vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ

+ 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 12: 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 mặt cấu trúc bị biến dạng thì cảm biến cũng chịu một biến dạng như bề mặt cấu trúc

Hình 13: Cố định áp trở lên bề mặt khảo sát

1: bề mặt

2: cảm biến áp trở

3: lớp bảo vệ

4: mối hàn

5 : dây dẫn

6 : cáp điện

7 : keo dán

1.3 Cấu tạo và nguyên lý của Loadcell

Mô hình vị trí lắp đặt của các loadcell trên bàn cân như hình vẽ dưới

đây( cho bộ cảm biến dùng 6 loadcell)

1.2 Cấu tạo và nguyên lí của Loadcell

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 14 Sơ đồ vị trí lắp đặt các Loadcell