1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.2.Tìm hiểu chung về Loadcell
2.2.1. Khái niệm Loadcell.
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoăc trọng lƣợng 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 thƣờng đƣợc sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên nhanh. Một số trƣờng hợp Loadcell đƣợc thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.
43
Hình 2.6 Một số lọai Loadcell thông dụng.
2.2.2. Cấu tạo.
Loadcell đƣợc cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là: điện trở cảm ứng (Strain gauge) và thành phần còn lại là tải (Load). Điện trở cảm ứng là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và đƣợc nuôi bằng một nguồn điện ổn định, đƣợc dán chết lên tải - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
44
2.2.3. Nguyên lý hoạt động
Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Khi cầu cân bằng Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng (Strain gauge) trong cầu điện trở, làm thay đổi giá trị điện áp lấy ra từ một đỉnh của cầu.
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của Loadcell.
Hoạt động của mạch cầu có hai trƣờng hợp: mạch cầu cân bằng và mạch cầu không cân bằng. Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến đƣợc xác định từ giá trị ba điện trở đã biết trƣớc. Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm biến từ một giá trị cơ sở
45
tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ra mạch cầu. Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này nên dễ dàng xử lý.
Điện trở cảm biến có thể đƣợc gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone không cân bằng nhƣ sau:
Hình 2.9 Mạch cầu Wheatstone.
Các trị số điện trở , , là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm cảm biến là ở một trị số cơ sở xác định , ta gọi giá trị này là (balance). Liên hệ giữa giá trị , , và khi cầu cân bằng là:
=
Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch giữa và . Để đơn giản hóa phƣơng trình của cầu không cân bằng ta sử dụng hai hệ số ε và α nhƣ sau:
ε =
(phần trăm sai lệch giữa và )
Hệ số thứ hai là α biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở đƣợc định nghĩa bởi: α =
Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a và b là:
= x = x = - = ( )x (1)
46 Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu là:
= (2)
= - (
) (3)
Thay . = x ( từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta đƣợc biểu thức (3): Để sử dụng các hệ số α và ε ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng một biểu thức sau: Khi đó (3) trở thành : = - ( ) x x = ( ) ( ) ( ) x (4) Do α = => = 1 – α Và ε = = = = 1 + αε (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để biểu thị biểu thức theo tỷ lệ mà không còn ta cộng và trừ ở
mẫu số của phân số cuối cho (ở cùng tử số) Thay tất cả vào (4) ta đƣợc :
= α (1 – α)
(5)
Vì sai lệch ε =
khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là :
= Với =
47
Nhƣ vậy điện áp ngõ ra thay đổi the sai lệch điện trở của cảm biến gây ra bởi khối lƣợng ( hay lực) tác dụng lên.
2.2.4. Thông số kĩ thuật cơ bản
Một số thông số kĩ thuật cơ bản của Loadcell nhƣ sau:
- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.
- Công suất định mức: giá trị khối lƣợng lớn nhất mà Loadcell có thể đo đƣợc. - Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell đƣợc bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không đƣợc đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật đƣợc đƣa ra.
- Cấp bảo vệ: đƣợc đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống đƣợc độ ẩm và bụi).
- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thƣờng đƣa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V).
- Độ trễ: hiện tƣợng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thƣờng đƣợc đƣa ra dƣới dạng % của tải trọng.
- Trở kháng đầu vào: trở kháng đƣợc xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chƣa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
- Điện trở cách điện: thông thƣờng đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
- Giá trị ra: kết quả đo đƣợc (đơn vị: mV).
- Trở kháng đầu ra: cho dƣới dạng trở kháng đƣợc đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chƣa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vƣợt quá (ví dụ: 125% công suất).
- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lƣợng đƣợc đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Loadcell dƣới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).
48
- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống nhƣ trên nhƣng đo ở chế độ không tải.
2.2.5. Phân loại
Có thể phân loại Loadcell nhƣ sau:
- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression Loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) . - Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng
chữ S.
- Phân loại theo kích thƣớc và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.6. Ứng dụng của Loadcell
Một ứng dụng khá phổ biến thƣờng thấy của Loadcell là đƣợc sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay.
Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn.
Một số ứng dụng khác:
- Trong ngành công nghệ cao:Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng đƣợc cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcell này đƣợc gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên. - Phân phối đều trọng lƣợng trong công nghiệp:
Công nghệ sử dụng:
Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hƣớng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC.
49
Sơ lược hoạt động:
Các load cell đƣợc thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lƣợng sản phẩm.
Hệ thống hoạt động:
Một tế bào tải đƣợc kết nối với thiết bị đo cần thiết.
Khi khối lƣợng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcell sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc.
Tín hiệu khi băng tải dừng đƣợc truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa.
Khi thùng chứa đƣợc phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động.
- Ứng dụng trong cầu đƣờng.
Các Loadcell đƣợc sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell đƣợc lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu đƣợc sẽ đƣợc gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu sẽ đƣợc xuất ra qua thiết bị truy xuất nhƣ điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.
2.2.7. Các loại Loadcell cơ bản 2.2.7.1. Loadcell tƣơng tự 2.2.7.1. Loadcell tƣơng tự
a) Khái niệm.
Loadcell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là Loadcell tƣơng tự. Tínhiệu này đƣợc chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lƣờng nhƣ bộ chỉ thị.
Mỗi Loadcell tải một đầu ra độc lập, thƣờng 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợpđƣợc tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng Loadcell. Các thiết bị đolƣờng hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đƣa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đƣa kết quả đọc đƣợc lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác nhƣ máy tính hoặc máy in.
b) Ƣu điểm và nhƣợc điểm.
50
Ƣu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trƣớc, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứngdụng của ngƣời dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thƣớc và hình dạngkhác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng.
Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression) .
Nhược điểm:
Tín hiệu điện áp đầu ra của Loadcell rất nhỏ(thƣờng không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏ nhƣ vậy dễ dàng bị ảnh hƣởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp nhƣ:
Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trƣờng xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng
cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn
Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thƣờng của nhiệt độ môi trƣờng tác động lên dây cáp truyền dẫn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa Loadcell với thiết bị đo lƣờng càng tốt. Cách giải quyết thông thƣờng vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của Loadcell. Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vƣợt quá con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song nhiều Loadcell với nhau, mỗi Loadcell tải với một đầu ra độc lập với các Loadcell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng load cell riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra nhƣ cân tank, cân xilô.
Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều Loadcell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra trung bình của từng Loadcell. Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tƣợng có Loadcellbị lỗi mà không đƣợc nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định Loadcell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lƣờng nhƣ đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục.
Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân nhƣ: - Quá trình chỉnh định hệ thống.
51
- Do tác dụng chuyển hƣớng lực trong các cơ cầu hình ống. - Quá trình phân tích dò tìm lỗi.
- Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan. - Đi dây cáp tín hiệu dài.
- Môi trƣờng hoạt động quá kín .
Không thể tính toán đƣợc trƣớc các yếu tố ảnh hƣởng này để có thể mô hình hóa trong quá trình phân tích và thiết kế. Trong khi đó điều kiện làm việc ởmỗi nơi rất khác nhau, thiết bị đo ở cách xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu, dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trƣờng làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp. Tín hiệu đƣa về đến thiết bị đolƣờng khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế.
Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thƣờng dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp,năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại Loadcell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tƣơng đối, không triệt để, đặc biệt là chƣa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ.
Chức năng lọc nhiễu điện từ trƣờng cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém. Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) nhƣ các hệ thống cân bằng liên tục.
52
2.2.7.2. Loadcell số
a)Khái niệm, sự ra đời.
Thời gian ra đời: Từ cuối những năm 1970.
Về cơ bản Loadcell số là sự tích hợp giữa load cell tƣơng tự với công nghệ điện tử hiện đại.
Ban đầu, khi khái niệm Loadcell số mới ra đời, nhiều ngƣời hiểu lầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể đƣợc sử dụng để chuyển đổi một load cell chất lƣợng thấp lên một Loadcell chất lƣợng cao. Thực tế thì ngƣợc lại, mỗi Loadcell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp.
- Thứ nhất: Phải có một Loadcell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc.
- Thứ hai: Phải có một bộ chuyển đổi tƣơng tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tƣơng tự sang dạng số.
- Thứ ba: Phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo đƣợc thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin.
b) Hoạt động.
Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của Loadcell chính xác cao đƣợc đƣa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số. Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn đƣợc sử dụng để đo nhiệt độ thực của Loadcell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ. Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ƣu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đƣờng đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hƣởng của nhiệt độ đƣợc vi xử lý tốc độ cao xử lý. Dữ liệu kết quả đầu ra đƣợc truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định. Các module điện tử này có thể đƣợc đặt ngay trong loadcell, load cell cable hoặc trong hộp junction box. Các đặc tính tới hạn của từng load cell đƣợc đặt trong EEPROM nằm trong module của Loadcell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số đƣợc thực hiện ngay tại load cell, với chính Loadcell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai số đƣợc thực hiện khá triệt để.
53
Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các Loadcell số nối với máy tính, PLC hoặc thiết bị đo nhƣ bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi Loadcell độclập có thể đƣợc nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đó có thể đƣợc cài đặt do ngƣời lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy. Thông thƣờng địa chỉ “0” đƣợc sử dụng nhƣ là một địa chỉ làm cho tất cả các load cell trả lời, trong khi các số nối tiếp của
Loadcell có thể đƣợc sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định.
Các Loadcell số hoạt động trên một chƣơng trình điều khiển kiểuMaster/Slave, ở