1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.2.7. Các loại Loadcell cơ bản
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.
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 đó định nghĩa một thiết bị (thƣờng là PC hoặc indicator) là master trên mạng. Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả cácquá trình truyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự,hoặc master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự. Chế độthứ nhất có ƣu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ haihƣớng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các Loadcell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tƣơng tự nhau cung cấp một môi trƣờng multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quy định bởi nhà sản xuất.Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống Loadcell tƣơng tự và số là mặc dù nối với nhau nhƣng mỗi Loadcellsố hoạt động nhƣ là một thiết bị độc lập.
c ) Ƣu điểm và nhƣợc điểm.
Ưu điểm:
- Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt độ thất thƣờng trên đƣờng dây cable dẫn.
- Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m. - Dễ dàng thay thế Loadcell.
- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần.
- Mỗi Loadcell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng.
- Có thể thực hiện tối ƣu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành phần tích hợp.
54
- Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi một Loadcell không ảnh hƣởng đến các Loadcell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian.
- Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà không cần tải chết.
- Loadcell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại.
- Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống. - Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là
mở rộng đƣờng dây cable. Tiết kiệm phần cứng. phần mềm dễ dàng phát triển.
Những ƣu điểm của hệ Loadcell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng.
2.2.8. Kết nối Loadcell 2.2.8.1. Loadcell tƣơng tự 2.2.8.1. Loadcell tƣơng tự
Loadcell tƣơng tự gồm các dây:
- +Excitation (Điện áp kích thích) là đầu vào dƣơng của điện áp cung cấp. - –Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp.
- +Output là tín hiệu ra dƣơng của Loadcell. - –Output là tín hiệu ra âm của Loadcell.
- +sense và –sense là các dây dẫn đựoc nối trực tiếp với Excitation.
Nói chung để tránh nhiễu. Có loại Loadcell thì có, có loại thì không. Có thể nốicũng dƣợc mà không nối cũng đƣợc. Nhƣng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối.
2.2.8.2 Loadcell số
Loadcell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dƣới đây là 4 mô hình ứng dụng điển hình.
- Mô hình 1:Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485. Các Loadcellnối với nhau thành cấu trúc hình sao. Junction Box hỗ trợ nối song song 8 Loadcellsố. Card RS422/RS485 cho phải kết nối trực tiếp đến máy tính PC hoặc PLC.
55
- Mô hình 2:Mô hình này chỉ khác với mô hình 1 là có thêm các thiết bị bảo vệ SPD cho hệ thống Loadcell với máy tính chủ, chống lại các ảnh hƣởng có hại nhƣ xung điện hoặc quá áp.
- Mô hình 3:Với hệ thống Loadcell số, các load cell có thể hoạt động nhƣ các thiết bị độc lập, nhận dạng trong hệ thống bằng địa chỉ của nó. Vì vậy, nhiều hệ thống có thể cùng dùng chung một thiết bị điều khiển, đơn giản chỉ cần đi đƣờng dây mạng liên kết chúng về một trạm điều khiển. Thông thƣờng một trạm chủ này có thể quản lý đƣợc đến 32 Loadcell số.
- Mô hình 4:Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp trực tiếp với các Loadcell hoặc với Junction Box. Ngoài chức năng hiển thị, bộ hiển thị này có thể thực hiện một số chức năng điều khiển khác thông qua các đầu vào ra.
2.2.9. Chống quá tải Loadcell
2.2.9.1. Các tình huống chú ý khi sử dụng Loadcell
Một số tình huống cần chú ý khi sử dụng Loadcell là:
- Điện áp đầu vào vƣợt quá ngƣỡng cho phép: gây sai số lớn trong việc đo lƣờng. ngoài ra gây hiện tƣợng đoản mạch làm hỏng Loadcell
- Đo lực quá lớn: khi đo lực vƣợt mức giới hạn đo của Loadcell gây sai số lớn. có thể gây hỏng phần cứng của Loadcell, ảnh hƣởng tuổi thọ của Loadcell.
- Do sót trong lắp ghép: có thể khiến Loadcell không hoạt động hoặc hoạt động nhƣng cho kết quả sai
- Ngoài ra còn nhiều vấn đề ảnh hƣởng chế độ làm việc và tuổi thọ của Loadcellnói riêng và hệ thống đo lƣờng nói chung cần chú ý nhƣ: thời gian làm việc, môi trƣờng làm việc và chế độ bảo dƣỡng .
2.2.9.2 Khắc phục
Để đảm bảo chế độ hoạt động tốt cho Loadcell trƣớc tiên cần nắm vững các thông số của Loadcell đang sử dụng. cần phải lắp ráp đúng phƣơng pháp. Loadcell trong mạch do. Tránh để Loadcellhoạt động ở chế độ quá tải có chế độ bảo trì thƣờng xuyên.
56
2.2.10. Cách lựa chọn Loadcell và phụ kiện 2.2.10.1. Lựa chọn Loadcell 2.2.10.1. Lựa chọn Loadcell
Khi lựa chọn Loadcell thì các thông số cần phải quan tâm là: - Chọn loại tƣơng tự hay loại số?
- Các thông số nhƣ mV/V là gì, tín hiệu vào ra, tầm sử dụng tải .
- Cấu tạo Loadcell, thụ động (thuần trở) hay tích cực (bán dẫn), độ ổn định, chịu nhiệt, chịu nƣớc, chống nhiễu .
- Kết cấu của ứng dụng, lƣc tập trung, lực phân bố, tải trọng tỉnh, tải trọng động.
- Phƣơng pháp cân: chất lỏng chất rắn, cân kiểm tra, cân định lƣợng,cân phân loại, cân gián tiếp liên tục (cân băng tải).
- Thiết bị đọc tín hiệu: Indicator, PLC, Micro Controler, PC.
- Xử lí tín hiệu: ADC, mạch lọc, mạch tích phân, chống rung, khử xung nhiễu, khử quán tínhh, ghép nhiều Loadcell, giải thuật, độ chính xác,hiệu chỉnh.
2.2.10.2. Chọn hộp nối (Junctionbox)
Sau khi đã lựa chọn xong Loadcell, tuỳ theo số lƣợng Loadcell và loại Loadcell mà ta chọn loại hộp nối là loại 4 đầu hoặc 8 đầu nối. Cũng từ chế độ dòng áp của Loadcell mà ta lựa chọn chế độ dòng áp của hộp nối cho phù hợp. Một số thông số cần quan tâm khi chọn hộp nối:
- Số đầu đo của Loadcellphải bằng hoặc lớn hơn số Loadcell của cân. - Khả năng chỉnh góc của hộp nối.
- Cấp bảo vệ của hộp nối. (Ví dụ nhƣ IP65, IP66, ). - Chọn bộ hiển thị (Indicator).
Bộ hiển thị thông thƣờng có hai loại:
- Loại hiển thị số: đó là những bộ hiển thị mà nó nhận tín hiệu đầu vàodạng số. Đối với loại hiển thị số thì thƣờng chọn loại hiển thị cùng chủng loại với chủng loại của load cell.
- Loại hiển thị tƣơng tự: là bộ hiển thị có tín hiệu đầu vào dạng tƣơng tự. Có thể chọn loại bộ hiển thị cùng chủng loại với Loadcell. Tuy nhiên, loại hiển thị đó phải đáp ứng đƣợc yêu cầu:
57
Phù hợp trở kháng đầu vào giữa Loadcell và bộ chỉ thị.
Nguồn cấp cho Loadcell từ bộ chỉ thị phải phù hợp.
Độ phân giải của bộ hiển thị và mức tín hiệu đƣa về từ Loadcell phải phù hợp.
Mức tín hiệu.
Ghép nối tín hiệu từ thiết bị hiển thị là tín hiệu đã đƣợc số hoá và đƣa ra cổng nối tiếp theo chuẩn RS232 hoặc RS485. Vì vậy, để đƣa về máy tính thì ta thu thập qua cổng COM của máy tính. Tín hiệu bắt về đã đƣợc thiết bị chỉ thị chuyển đổi và đƣa về theo từng khung dữ liệu chuẩn.
Để đảm bảo cách ly tín hiệu giữa máy tính và các thiết bị điện tử ở bên ngoài thì thông thƣờng tín hiệu trƣớc khi đƣa trực tiếp vào cổng COM của máy tính thì nó đƣợc nối cách ly bằng một card cách ly quang. Tín hiệu thuvề không thay đổi định dạng khung dữ