Cảm biến tải (Loadcell) - Các nghiên cứu liên quan- 123docz.net

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.4. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

1.4.4. Cảm biến tải (Loadcell)

1.4.4.1. Khái niệm

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.

Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.

Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm.Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.

1.4.4.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” và thành phần còn lại là “Load”. Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên “Load” – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.

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

Hình 1.25. Cấu tạo của strain gauge

Trong đó:

R: Điện trở strain gauge (Ohm)

L: Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

S: Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)

ρ: Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge 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

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.

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén). Kết quả là, hai trong số 4 điện trở strain gauges là trong nén, trong khi hai strain gauges đang bị căng ra. Điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges.

Hình 1.26. Mạch cầu Wheatstone

Chúng ta sử dụng mạch cầu Wheatstone để và trở kháng thành điện áp tỷ lệ với tải. Sự

chuyển đổi sự thay đổi tỉ lệ giữa lực căng 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).

1.4.4.3. Loadcell RNT LP7130

Loadcell chén RNT LP7130 dành cho cân bồn, trạm trộn, silo, thang máy, phễu. Mức khối lượng: 1 / 2.2 / 5 / 10/ 15/ 22/ 33/ 47/ 68/ 100/ 150 / 220 tấn Đang có hàng sẵn: 2.2t, 5t, 10t, 15t, 22 tấn

Tiêu chuẩn kháng nước/kháng bụi: IP67

Tiêu chuẩn: Atex Zone 0-1-2 (gas) and 20-21-22 (dust) ( option) Cấp chính xác: D1

Vật liệu lựa chọn: sản xuất bằng thép không gỉ ( stainless steel), hoặc bằng thép ( Alloy Steel)

Dòng loadcell chịu nhiệt độ cao -30 đến +70 °C hoặc tùy chọn nhiệt độ có thể lên tới 200 °C (option)

Dạng loadcell: nén dạng chén Quá tải an toàn: 150%

Quá tải tối đa: 300%

Điện trở: 2.85mv/v 0,005 mV / V Trở kháng đầu vào: 1450 ±10Ω Trở kháng đầu ra: 1402 ±3Ω

Nguồn cấp: 4 ~ 12V (DC / AC), Max .: 15V

Sử dụng thích hợp cho: cân xe tải, cân silo bồn, trạm trộn Có thể mua rời module hay cịn gọi là Mouting rời

Hình 1.27. Loadcell RNT LP7130

Hình 1.28. Loadcell RNT LP7130 kèm bộ kit mounting rời1.4.5. Đầu cân điện tử (Digital indicator) 1.4.5. Đầu cân điện tử (Digital indicator)

1.4.5.1. Khái niệm và cấu tạo

Đầu cân điện tử là thiết bị đọc các tín hiệu điện được xuất ra từ cảm biến lực (Loadcell) sau đó thể hiện lên màn hình để cho người dùng có thể đọc những giá trị đó. Đầu cân điện tử khi kết hợp với cảm biến tải sẽ trở thành một cụm hoàn chỉnh gọi là bàn cân điện tử (Indicator weighing scale).

Ngày nay ngoài khả năng thể hiện những giá trị lên màn hình, đầu cân điện tử cịn có những tính năng khác như kháng nước kháng bụi, cảnh báo giá trị tải tới hạn,… Cấu tạo của đầu cân điện tử gồm 2 thành phần chính: màn hình LCD hiển thị và cụm nút thao tác.

1.4.5.2. Đầu cân điện tử LP7516

Tải trọng: 1kg-80t

Đầu cân đựơc làm bằng nhựa ABS tiêu chuẩn IP65 . Đầu cân LP7516 LED Tiêu chuẩn NTEP

Kết nối tất cả các loại loadcell Độ phân giải 30.000 chính xác cao.

Màn hình LED số đỏ cao 20.3mm dể nhìn.

Chức năng trừ bì, đếm số lựong, HILO, Cân động vật, giữ Hold, RS232 kết nối máy tính....

Sử dụng Adapter 9v và bình khơ 6v tiện lợi khi cúp điện RS 232 tích hợp

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

2.1. Quá trình tạo phình ống sử dụng chày cao su2.1.1. Giới thiệu 2.1.1. Giới thiệu

Làm phình là kỹ thuật tạo ra hình dạng gần lưới hoặc phức tạp từ những đối tượng là ống rỗng thông qua áp suất nội (áp suất tác động vào thành trong của ống) và tải dọc trục. Trong những năm gần đây, kỹ thuật tạo phình ống được sự dụng rộng rãi trong công nghiệp để giảm thiểu chi phí sản xuất ngược lại tối ưu hóa cơng nghệ sản xuất. Trước đây việc sử dụng chày cứng là phương pháp duy nhất để tạo hình chi tiết dạng ống và chén. Tuy nhiên, việc ép bằng chày cứng sẽ tạo ra vết hằn không mong muốn trên bề mặt sản phẩm. Do đó những chi tiết có bề mặt phức tạp, yêu cầu độ nhám cao sẽ không thể sử dụng phương pháp này. Vì những lý do này, phương pháp tạo phình bằng áp suất nội thủy tĩnh đã được phát minh. Thông qua phương pháp này, các chi tiết dạng ống được tạo hình mong muốn trong cối, và áp suất nội thủy tĩnh được tạo ra thông qua chất lỏng hoặc chất rắn trung gian. Bởi việc áp suất nội tạo ra ở mức tương đối cao nên những chi tiết ống có bề dày nhỏ khó có thể áp dụng được phương pháp này. Đây cũng là điểm hạn chế chính của quy trình. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng tải dọc trục tác dụng vào đáy của ống cùng với áp suất nội. Bằng cách sử dụng tải dọc trục và áp suất nội một cách đồng thời, ống được đẩy vào vùng biến dạng và từ từ mang hình dạng giống như hình dạng của cối. Trong đa số trường hợp, chiều dài của ống sẽ bị giảm, do đó sự mở rộng càng lớn bao nhiêu, thành chi tiết càng bị mỏng đi bấy nhiêu.

Công dụng tạo ra áp suất trung gian của chày cao su là một ưu điểm lớn so với việc dùng chất lỏng thủy lực. Bằng việc sử dụng chày cao su, ma sát giữa ống và cao su được tạo ra. Lực ma sát đồng thời cũng góp phần tạo lên một phần áp suất lên ống, lảm sự mở rộng xảy ra dễ dàng hơn. Do đó việc cần một hệ thống kiểm sốt lực dọc trục cực kì tinh vi và phức tạp bằng áp suất thủy lực là điều không cần thiết. Lực ma sát cịn giúp ích cho việc ổn định sự căng giãn. Hơn nữa việc sử dụng cao su cũng đơn giản hơn, khơng u cầu hệ thống chống rị rỉ chất lỏng khi dùng áp suất thủy lực. Việc lắp đặt chày cao su cũng nhanh và tiện lợi hơn khi không cần làm sạch hoặc làm khô bề mặt chi tiết sau khi tạo hình. Tuy nhiên sự giãn nở của ống khi sử dụng phương pháp chày cao su nhỏ hơn so với sử dụng áp suất thủy lực. Ống có thể được làm phình ra một lượng nhiều hơn bằng cách ép nhả nhiều lần thông qua áp suất chày cao su tạo ra. Chày trở lại hình dáng ban đầu vốn có khi ngưng tác dụng tải trọng. Bằng cách lặp đi lặp lại quy trình ép, lượng kim loại của ống được đùn vào vùng biến dạng phình sẽ được cải thiện nhiều hơn. Một mặt hạn chế nữa của phương pháp này là việc kiểm soát

ứng suất dọc trục một cách chính xác trong suốt quy trình ép là điều rất khó khăn, địi hỏi ta phải thử nghiệm nhiều lần, chấp nhận thất bại sau đó mới rút ra được kinh nghiệm. Như đã đề cập ở trên, việc tạo ra tải trọng trong hầu hết các quy trình tạo hình dùng đệm cao su luôn bị mang ra so sánh với các phương pháp truyền thống thông thường. Tuy nhiên, phương pháp làm phình ống thơng qua chày cao su là một ngoại lệ, bởi việc tạo ra áp lực ép của nó gần như tương đương với những phương pháp dùng thủy lực hoặc làm phình ống truyền thống.

Phơi ống có thể phình ra bằng việc tác dụng áp suất thủy tĩnh thông qua chày cao su vào bên trong lịng phơi. Khi đó phơi ống sẽ được tạo hình như ý tùy theo biên dạng của cối. Trong mục này, một số phương pháp làm phình ống như phình ở đáy, phình tự do và phình nhánh-T sẽ được giới thiệu.

2.1.2. Các phương pháp tạo hình ống kim loại2.1.2.1. Ống dạng phình đáy 2.1.2.1. Ống dạng phình đáy

Hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý của quy trình làm phình đáy ống bao gồm một chày ép bằng kim loại, một chày cao su và khn (cối). khn có thể được chia ra thành 2 phần, trong đó khn trên sẽ có nhiệm vụ dẫn truyền chuyển động của chày ép. Khn có thể là kim loại nguyên khối liền, hoặc được cắt đôi theo phương thẳng đứng để tạo ra sự linh hoạt trong việc tạo hình chi tiết. Bề mặt khn phải được đánh bóng để làm giảm đi lực ma sát giữa khn và phơi ống.

Quy trình bắt đầu bằng việc khuôn trong trạng thái mở. Phôi ống sau đó được đặt vào ống, đồng thời chày cao su cũng được đặt vào bên trong lịng ống. Sau khi khn đóng lại một cách an tồn, chày ép được lắp vào thông qua một cái lỗ ở trên đỉnh của khuôn và tiếp xúc với chày cao su. Máy ép thủy lực hoạt động, chày ép đi xuống đè lên chày cao su. Chày cao su biến dạng và tạo ra áp suất, lực dọc trục lên thành ống, lúc này ống bắt đầu biến dạng. sau khi quy trình dập hồn thành, chày cao su và ống đã biến dạng được đưa ra bằng thao tác mở khn ra.

Hình 2.2. Ống đã biến dạng hồn tồn

Hình dạng của một ống dạng phình đáy giống như hình 10.2. Lực dọc trục sinh ra bởi ma sát giữa chày và cao su dẫn đến sự giãn ở nở đáy ống, hình dạng giống như “miệng chng”. Lúc đầu, ống phình ra trước ở phần đáy, nơi tiếp xúc với đáy khuôn. Bằng cách tăng lực ép lên, ống biến dạng toàn phần và tiếp xúc vs toàn bộ bề mặt của khn, đồng thời quy trình kết thúc. Sự thắt và nứt có xảy ra hay khơng phụ thuộc hồn tồn vào độ dày chi tiết. Đây cũng là những khuyết tật chủ yếu trong quy trình ép. Ngun nhân chính gây ra sự thắt là hệ số ma sát cao giữa ống và chày cao su, điều này sinh ra một lực dọc trục rất tới, dẫn tới việc ống bị thắt một cách dễ dàng.

Hình 2.3. Ống bị thắt do lực dọc trục quá lớn

Hình 2.4. Biểu đồ lực ép cần thiết

Hình 2.4 thể hiện biểu đồ phỏng đốn lực cần thiết tác dụng lên chày ép để tạo ra ống phình đáy. Trong giai đoạn đầu tiên, lực tác dụng lên chày ép tăng rất chậm cho tới

khi khoảng trống giữa ống và chày cao su được lắp đầy. Khi đó lực cần thiết để tác dụng lên chày tăng cực kì nhanh chóng để nén chày cao su và tạo áp lực lên ống. Quá trình kim loại của ống bắt đầu được đùn vào khoảng trống giữa ống và khuôn xảy ra tại giao điểm giữa đường kính trong của ống với đường cong. Khi lực ma sát tăng lên bởi chiều dài của ống giảm do phần vật liệu đùn vào khoảng trống giữa ống và khuôn, lực cần thiết tác dụng lên chày ép cũng tăng lên một chút bởi sự dịch chuyển của chày. Trong giai đoạn cuối cùng của sự tạo hình, diện tích tiếp xúc giữa ống và thành khn tăng lên một cách đáng kể, do đó bằng cách tăng lực ma sát lên, tải tác dụng lên chày ép cũng được tăng lên. Lực tác dụng lên chày ép tiếp tục tăng cho tới khi ống đã biến dạng hoàn tồn.

Hình 2.5. Mối quan hệ giữa chiều dài chày cao su và áp suất

Mối quan hệ giữa chiều dài chày cao su và áp suất khi ép được thể hiện qua hình 2.5 khi sử dụng phơi ống đồng đỏ có bề dày 1.6mm và đường kính ngồi 38.2mm. Áp suất cần thiết để tạo phình tăng lên khi chiều dài của chày cao su càng dài. Hình 2.6 thể hiện mối quan hệ giữa áp suất cần thiết để tạo phình với chiều dày của ống.

Hình 2.6. Mối quan hệ giữa áp suất và chiều dày ống

Hình 2.7. Sự phân bố chiều dày khi ống biến dạng

Sự phân bố chiều dày của ống sau khi ống biến dạng hoàn toàn được thể hiện trong hình 2.7. Theo những kết quả thí nghiệm, độ dày của ống mỏng nhất ở phần đáy, nơi mà sự giãn nở xảy ra nhiều nhất. Phần không biến dạng của ống gần như giữ nguyên

chiều dày ban đầu. Sự giảm độ dày của ống có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm soát lực ma sát giữa bề mặt cao su và ống. Nhìn chung, lực ma sát càng lớn sẽ giúp cho việc đùn kim loại tới vùng biến dạng diễn ra dễ dàng hơn, do đó thành ống ở những nơi này sẽ mỏng dần. Tuy vậy, nếu lực ma sát quá lớn có thể dẫn tới hiện tượng thắt như đã đề cập ở trên. Vì vậy, chúng ta phải tìm cách tối ưu hóa điều kiện ma sát cần thiết để làm cho quy trình làm phình ống diễn ra thành cơng.

2.1.2.2. Ống dạng phình giữa

Nguyên lý cơ bản của quy trình tạo hình này cũng giống hồn tồn với quy trình tạo phình đáy ống.

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý quy trình phình giữa

Quy trình này sẽ sử dụng khn có khả năng tách đơi cùng với chày ép ống và chày cao su. Các chày sẽ tác dụng lực dọc trục trên 2 đầu của chày cao su, chày cao su sẽ có chiều dài ngắn hơn ống một chút do phải chừa khoảng trống cho chày ép ống (chày bậc). Chuyển động của chày ép và chày ép ống cùng một lúc sẽ tạo lực nén lên chày cao su. Nhờ có lực nén này, cao su từ hình dạng ban đầu sẽ dẫn chiếm chỗ và đẩy phần vật liệu ống vào khoảng trống giữa phôi và khuôn ngay giữa. Phần vai của chày ép ống sẽ tiếp xúc với ống sau khi đã tạo ra được lực nén ban đầu lên chày cao su. Lý do chính của việc chế tạo chày ép ống dạng bậc là để tạo ra áp suất ban đầu, điều rất cần thiết cho việc tạo hình ống và góp phần tạo thêm áp suất. Một khn chặn có thể được sử dụng thể giữ cho khuôn ép không bị tách ra trong suốt quá trình tạo hình. Quy trình này có thể được chia ra thành 2 dạng. Dạng thứ nhất là tạo hình tự do, nghĩa là khn tạo hình và ống ban đầu khơng cần phải tiếp xúc với nhau, sau đó ống sẽ phình tự do cho tới khi quy trình hồn thành.

Hình 2.9. Ống phình giữa

Nếu sử dụng phương pháp này, ống sau khi phình hồn tồn có thể sẽ khơng đối xứng hồn tồn do khơng có lực ma sát tạo ra giữa khuôn và chày cao su. Nếu dùng theo dạng 2, khuôn được thiết kế theo cách này (ống ban đầu tiếp xúc với khuôn) sẽ đảy bề mặt của ống theo đúng như biên dạng của khn. Tạo phình bằng khn đóng được mơ phỏng như hình 2.8. Hình 2.9 là ống đã được tạo phình bằng khn đóng.

Trong quy trình này, việc bơi trơn bề mặt giữa ống và khn đóng vai trị rất quan