Tìm hiểu, phân tích và thực hiện hệ thống cân tải trọng ô tô

Tài liệu bài tập lớn của môn Đo lường và cảm biến về đề tài Tìm hiểu, phân tích và thực hiện hệ thống cân tải trọng ô tôTài liệu bao gồm nội dung về hệ thống trạm cân ô tô 100 tấn ngoài thực tế và nội dung về mô hình cân điện tử 5kg sử dụng Arduino

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU, PHÂN TÍCH VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG

CÂN TẢI TRỌNG Ô TÔ

HÀ NỘI, 2018

LỜI NÓI ĐẦU

Môn học Kỹ thuật đo lường và cảm biến trình bày các kiến thức về kỹ thuật đodùng trong ngành điện hiện nay Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho cácngành sản xuất công nghiệp

Kỹ thuật đo lường và cảm biến là môn học nghiên cứu các phương pháp đo cácđại lượng điện: điện áp, dòng điện, công suất,… và đại lượng không điện: nhiệt độ, độ

ẩm, vận tốc…

Bài giảng Kỹ thuật đo lường và cảm biến được biên soạn dựa trên các giáo trình

và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinhviên các ngành: Điện công nghiệp, Điện dân dụng, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuậtThông tin, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông

Về đề tài nghiên cứu:

Ngày nay cân điện tử đang ngày một được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹthuật, công nghiệp thay cho các loại cân cơ học Ô tô, xe tải là những máy móc cótrọng tải lớn vì vậy việc cân tải trọng của xe không thể sử dụng cân cơ học, thay vào

đó là cân ô tô điện tử Cân ô tô điện tử là một thiết bị quan trọng trong các ngành côngnghiệp Nó vừa chính xác, tiện lợi, tiết kiệm và là thiết bị không thể thiếu ở Việt Namhiện nay

Sau đây, nhóm chúng em xin thực hiện nội dung về hệ thống cân tải trọng ô tô

với những yêu cầu sau:

- Dải cân (50- 180 tấn)

- Bàn cân bằng kim loại

- Sai số của phép đo là 0,5%

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Tìm hiểu chung

Hệ thống cân ô tô hoạt động dựa trên công nghệ cân điện tử Khi có áp lực củatrọng tải xe lên mặt cân, các cảm biến (Loadcell) sẽ nhận tín hiệu và truyền đến hộpnối dây – hộp cộng tín hiệu (Junction Box) Tại đây các tín hiệu từ các Loadcell sẽđược cộng lại và chia trung bình để tìm ra giá trị khối lượng của xe Giá trị này sẽđược hiển thị qua 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 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 cấucác cảm biến đo có dạng áp trở (Tenzo) gắn trên nó

1.2 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu tổng quan hệ thống.

- Phân tích công nghệ và đưa ra các nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện của bài toán.

- Vẽ sơ đồ khối nguyên lý hệ thống.

- Xây dựng mô hình hệ thống bao gồm các thiết bị, khâu chức năng.

- Lựa chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống như cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành,… (nhiệm vụ, hình ảnh, nguyên lý làm việc, thông số kĩ thuật của thiết bị).

- Sơ đồ đấu nối hệ thống.

- Chương trình điều khiển.

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN

2.1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống Phân tích công nghệ và các nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện của hệ thống

2.1.1 Cảm biến áp trở Tenzo

a) Nguyên lý hoạt động

Càm biến áp trở hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở( Piezo resistive effect): “Khivật dẫn chịu biến dạng cơ học thì điện trở của nó thay đổi”

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

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng

Ta có:

Coi là lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

là lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

là lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất

là lượng biến thiên tương đối theo tiết diện

Ta có thể viết lại dưới dạng

- Với vật liệu lỏng( thủy ngân, chất điện phân) có K=2

- Với kim loại có K=0,5÷4

- Với chất bán dẫn K=100÷200

b) Phân loại

*, Cảm biến áp trở kim loại

+, Áp trở dạng dây mảnh: gồm có dây dẫn điện trở uốn hình răng lược, đường kính0,02÷0,03 mm 2 đầu dây hàn với 2 lá đồng berin hoặc đồng photpho để nối với mạch đo Hai phía dán 2 tấm giấy mỏng 0,1 mm hoặc nhựa polymide 0,03 mm

để cố định hình dáng dây Chiều dài dây ( là độ dài một đoạn dây, là số đoạn dây).

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

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

2.1.2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống cân tải trọng ô tô

a) Bàn cân

Bàn cân là thiết bị trực tiếp chịu tải trọng của xe, là nơi gắn các cảm biến, hộpnối dây Bàn cân có nhiều kích thước khác nhau tùy vào mức cân mà người sử dụngmong muốn

Kích thước bàn cân thường sử dụng là:

3m x 8m: thường dùng 4 Loadcell, mức cân tối đa 30 tấn

3m x 10m: thường dùng 4 Loadcell, mức cân tối đa 50 tấn

3m x 12m: thường dùng 6 Loadcell, mức cân tối đa 60 tấn

3m x 14m: thường dùng 6 Loadcell, mức cân tối đa 80 tấn

3m x 16m: thường dùng 6 Loadcell, mức cân tối đa 100 tấn

3m x 18m: thường dùng 8 Loadcell, mức cân tối đa 120 tấn

b) Loadcell

Một số loại Loadcell

Mô hìnhlắp đặt vị trí các Loadcell trên bàn cân như hình vẽ dưới

đây( cho hệ thống cân dùng 6 Loadcell)

*, Cấu tạo

Loadcell gồm có trụ thép – chịu tác động trực tiếp của trọng lượng và 4 cảm biến

áp trở được gắn trên trụ thép, các áp trở được nối theo mạch cầu 4 nhánh

*, Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo chính của Loadcell gồm các điện trở Strain gauges R1, R2, R3, R4 kếtnối thành một cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thânLoadcell

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào Loadcell (2 góc (2) và (3) củacầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góckhác Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số khônghoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân Loadcell làm cho thân Loadcell bịbiến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợikim loại của điện trở Strain gauges dán trên thân Loadcell dẫn đến một sự thay đổigiá trị của các điện trở Strain gauges Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện ápđầu ra.Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành

số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân)

Công nghệ giới thiệu trên là công nghệ Analog Hiện nay, ngoài công nghệAnalog, trong các hệ thống cân ô tô còn sử dụng công nghệ Digital

Digital Loadcell có bộ vi xử lý riêng với công nghệ kĩ thuật số, tiến hiệu suất ra

là tín hiệu số Ngoài ra Digital Loadcell có bộ chống sét riêng nên có thể hoạt động tốttrong những ngày mưa bão

Tự động điều chỉnh các

Dữ liệu cân lưu ở

So sánh công nghệ cân Analog và công nghệ cân Digital

c) Hộp nối dây – Hộp cộng tín hiệu( Junction Box)

Hộp nối dây là nơi kết nối các Loadcell với nhau, tùy từng loại mà có thể kết hợp

4, 6, 8,… Loadcell lại với nhau

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

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

d) Đầu cân – Chỉ thị cân( Indicator)

Đầu cân là thiết bị nhận tín hiệu từ Loadcell thông qua hộp nối dây và thực hiệnchuyển đổi A/D( Analog – Digital), từ đó hiển thị thông số nhờ vào vi mạch và phầnmềm trong nó Thông thường Indicator cũng là bộ phận cấp nguồn cho Loadcell.Đầu cân được kết nối với máy tính và truyền dữ liệu thông qua cổng giao tiếptruyền 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 220V

Ứng dụng công nghệ Digital cũng có loại Indicator chuyên việt Loại này khôngthực hiện chuyển đổi A/D nữa mà nhận trực tiếp tín hiệu từ Loadcell để xử lý DigitalIndicator có khả năng kết nối nhiều Loadcell hơn Analog Indicator

2.1.3 Phân loại hệ thống cân tải trọng ô tô

Tùy thuộc vào mặt bằng bố trí cân, môi trường và mục đích sử dụng cân nên ta

có thể phân ra 3 hệ thống tải trọng cân ô tô cơ bản

- Dễ dàng vệ sinh lắp đặt

và hiệu chỉnh, sửa chữa

- Chiếm nhiều diện tích

- Chiếm ít diện tích

- Chịu ảnh hưởng của môi trường ít hơn cân nổi

- Thoát nước kém dễ bị ngập cân

- Thẩm mỹ tốt hài hòa với môi trường xung quanh

- Chi phí hầm cân cao

- Khó vệ sinh lắp đặt hiệu chỉnh sửa chữa

- Chiếm diện tích trung bình

- Chịu ảnh hưởng của môi trường ít hơn cân nổi

- Thoát nước kém dễ bị ngập cân

- Thẩm mỹ hơn cân nổi

- Chi phí hầm cân cao

+, Cân ô tô nổi có toàn bộ bàn cân trên mặt bằng

+, Cân ô tô chìm có toàn bộ bàn cân chìm xuống dưới mặt bằng, cụ thể là mặtbàn cân ô tô có thể bằng mặt bằng lắp cân hoặc thấp hơn mặt bằng lắp cân

+, Cân ô tô nửa chìm là cân có một phần bàn cân chìm xuống đất và một phầnnổi lên mặt đất

2.2 Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống

Tải trọng xe lên bàn cân

Loadcell

Junction Box

Indicator

Chuyển đổi A/D

Cáp truyển đổiCổng giao tiếp

Máy in

2.3 Mô hình hệ thống

2.4 Lựa chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống

Yêu cầu chung

+, Mức cân: 100 tấn

+, Bàn cân bằng kim loại

+, Sai số của phép đo là 0,5%( ứng với 500 kg)

2.4.1 Tổng quan các thiết bị cần thiết và chức năng

a) Các thiết bị cần thiết

- 6 cảm biến lực Loadcell

- 1 bàn cân thép

- 1 hộp nối dây Junction Box

- 1 đầu cân Indicator

- 1 bảng đèn LED hiển thị

- 1 bộ máy tính và máy in

Các thiết bị phụ trợ kèm theo: bộ chống sét, bộ cáp điện, bộ giảm chấn

b) Chức năng của từng thiết bị

Tên thiết bị Chức năng Số lượng

Đầu cân( Indicator) Nhận tín hiệu từ bộ cảm biến và xử lý 1

Bảng đèn LED Hiển thị khối lượng 1

Bộ máy tính và máy in Điều hành lưu trữ và in phiếu cân 1

2.4.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống

a) Lựa chọn kiểu hầm móng

Để dễ dàng bảo trì và sửa chữa, ta sẽ chọn kiểu cân nổi

b) Lựa chọn kích thước bàn cân

Với mức cân tối đa là 100 tấn, ta sẽ lựa chọn kích thước bàn cân là 3m x 16m

c) Lựa chọn khung bàn cân và bàn cân

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

- Dầm chịu lực ngang I-200

- Bàn cân bằng thép, tôn, mặt sàn dày 10mm Bàn cân được sơn chống gỉ,chống oxi hóa và phủ màu đảm bảo thẩm mĩ

- Được sản suất bằng thép không rỉ đặc biệt

- Được thiết kế chống xoay

- Chức năng tự cân bằng

- Điện áp biến đổi 2mV

- Điện áp kích thích 20VDC/VAC max

- Điện trở đầu vào 1165Ω

- Điện trở đầu ra 1000Ω

- Điện trở cách điện 5000MΩ

- Quá tải an toàn 125%

- Quá tải hư hỏng 300%

- Nhiệt độ làm việc -30°C đến 65°C

- Tiêu chuẩn an toàn IP 68( có khả năng ngâm dưới mực nước sâu 1 mét trong

120 giờ)

+, Chỉ thị cân Indicator IND246

- Độ phân giải theo tiêu chuẩn TCCE, OMIL

- Hiển thị màn hìn LCD

- Cổng kết nối vi tính RS 232/485/422

- Điện áp làm việc 100VDC – 200VAC

+, Bảng LED hiển thị số DPM 5 Keli

+, Bộ chống sét ILC36V

- Thiết bị chống sét ILC36V để bảo vệ các Loadcell khỏi bị sét đánh lan truyềnqua đường tín hiệu Loadcell bảo vệ cân điện tử Thiết bị được thiết kế đểchống lại các hiện tượng dâng điện áp qua đường tín hiệu điện tử, khi điện ápdâng đi qua thiết bị sẽ ngắt đi phần tăng đột biến và xả xuống đất thông qua

3 Sơ đồ đấu nối hệ thống

4 Chương trình điều khiển

Do hệ thống cân tải trọng ô tô trong thực tế có quy mô rất lớn nên nhóm chúng

em xin phép được thực hiện một mô hình cân điện tử nhỏ có sử dụng Loadcell và điềukhiển bằng bo mạch Arduino UNO R3

Sau đây là chương trình điều khiển của hệ thống

Dưới đây là một số hình ảnh về mô hình cân điện tử 5000 gam ( sai số 1 gam)