CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN TẢI TRỌNGLOAD CELL1.1 Giới thiệu về load cell và tải trọng Loadcell là một dạng đầu dò hay còn gọi là cảm biến dùng để đo trọng lượng 1 vật sau đó chuyển
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Thanh Trúc
TP Hồ Chí Minh, tháng … năm 2019
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………
………
………
……
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Trang 3BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHCNTP TP.HCM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tìm hiểu về cảm biến cân tải trọng (loadcell) và ứng dụng.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Chương 1: Tổng quan về cảm biến cân tải trọng (loadcell)
Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến cân tải trọng
Chương 3: Ứng dụng biến trong thực tế
Chương 4: Đánh giá-kết luận
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
Nội dung đồ án đã được Khoa Điện – Điện tử thông qua.
Nguyễn Thị Thanh Trúc
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô thuộc Tổ bộ môn Điện công nghiệp Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp.HCM Đặc biệt, em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy/Cô Nguyễn Thị Thanh Trúc đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn các bạn lớp 09DHDT2 đã cung cấp những tài liệu kỹ thuật
và những ý kiến đóng góp quý báu.
Tp Hồ Chí Minh, 16 tháng 5 năm 2020
Nhóm sinh viên thực hiện
Trang 5Mục Lục
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 3
LỜI CẢM ƠN 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN TẢI TRỌNG LOAD CELL 6
1.1 Giới thiệu về load cell và tải trọng 6
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LOAD CELL 7
2.1 Cấu tạo load cell 7
2.2 Nguyên lý hoạt động 7
2.3 Thông số kĩ thuật cơ bản 8
CHƯƠNG 3: PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA LOAD CELL 9
3.1 Phân loại 9
3.2 Ứng dụng của load cell 11
3.3 Các loại Load cell cơ bản 14
3.3.1 Load cell tương tự 14
3.3.2 Loadcell số 15
3.3.3 Kết nối load cell 18
3.3.4 Chống quá tải load cell 20
3.3.5 Cách lựa chọn Load cell và phụ kiện 21
CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 23
4.1 Đánh giá 23
4.2 Ưu điểm và nhược điểm chung của load cell 23
4.3 Hướng phát triển 23
Trang 6CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN TẢI TRỌNG
LOAD CELL1.1 Giới thiệu về load cell và tải trọng
Loadcell là một dạng đầu dò hay còn gọi là cảm biến dùng để đo trọng lượng 1 vật sau đó chuyển đổi lực của một vật có tải trọng nhất định đè lên nó và hoán trả lực đó về dạng tín hiệu điện tín hiệu mV/v.
Tải trọng có nghĩa là tổng trọng lượng của một vật
Hình 1: Tổng quát cấu tạo cơ bản của load cell.
Straingauges là một trong những cấu tạo chính của con cảm biến loadcell Nó được thiết kế là một thanh điện trở rất nhỏ được cấp điện và dòng trở này biến đổi tùy thuộc vào độ co dãn khi bị lực nén lại.
Trang 7Hình 2: Một số load cell thông dụng
LOAD CELL2.1 Cấu tạo load cell
Về cấu tạo của con cảm biến loadcell gồm 2 Thành phần chính là thanh kim loại tích hợp thêm con biến trở Strain dùng tạo tín hiệu đầu ra dạng mV/v.
Hình 3: Cấu tạo của load cell
2.2 Nguyên lý hoạt động
Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.
Hình 4: Mạch cầu Wheatstone
Trang 82.3 Thông số kĩ thuật cơ bản
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 lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.
Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu
nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra.
Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm
và bụi).
Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị
lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V).
Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả.
Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi
Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
Điện trở cách điện: thông thường 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 được (đơn vị: mV).
Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong
điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công
suất).
Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay
đổi công suất của Load cell dưới 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%).
Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ
không tải.
Trang 9CHƯƠNG 3: PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA LOAD
CELL3.1 Phân loại
Có thể phân loại loadcells như 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, dạngchữ S…
- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn
Một số hình ảnh về các loại load cell:
Hình 5: Load cell kiểu Z (S)
Hình 6: Load cell kiểu uốn
Trang 10Hình 7: Load cell nút bấm (kiểu nén)
Hình 8: Single point Load cell
Hình 9: Miniature Load cell (loại bé)
Trang 113.2 Ứng dụng của load cell.
Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của load cell là được sử dụngtrong các loại cân điện tử hiện nay
- Trong ngành công nghệ cao:
Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại load cell cỡ nhỏcũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn Như hình minhhoạ, loại load cel này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độbền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên
Trang 12Hình 12: Loadcell gắn vào cánh tay robot
- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:
Công nghệ sử dụng:
Các thế bào tải (load cell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC
Sơ lược hoạt động:
Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong
công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sảnphẩm Như thể hiện trong sơ đồ dưới đây, load cell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao
Trang 13Hệ thống hoạt động:
Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết
Khi khối lượng 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 ngừnglàm việc
Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phốithùng chứa để xuất thùng chứa
Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phânphối sản phẩm tiếp tục hoạt động
Ứng dụng trong cầu đường:
Các load cell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức épchân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau Các dữ liệuthu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu sau đó sốliệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD
Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu Từ đó tìm ra các biện pháp cầnthiết để sửa chữa kịp thời
Hình 15: Loadcell cảnh báo độ an toàn của cầu
Trang 143.3 Các loại Load cell cơ bản
3.3.1 Load cell tương tự
a) Khái niệm
Load cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là loadcell tương tự Tínhiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ cácthiết bị đo lường như bộ chỉ thị
Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V Đầu ra kếthợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell Các thiết bị
đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổiADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh địnhvàđưa kết quả đọc được lên màn hình Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thịhiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tínhhoặc máy in
b) Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, vớinhững tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp chotừng ứng dụng của người dùng Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước vàhình 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 load cell rất nhỏ(thường không quá 30mV).Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễutrong công nghiệp như:
Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trongmôi trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong khônggian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suấtlớn…
Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường củanhiệt độ môi trường 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 lường càng tốt Cách giải quyết thông thường vẫn dùng
là giảm thiểu dung sai đầu ra của load cell Tuy nhiên giới hạn của côngnghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ Trong khi nốisong song nhiều load cell với nhau, mỗi load cell tải với một đầu ra độc lậpvới các load cell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất
Trang 15có load cell bị lỗi mà không được nhận biết Một khi đã nhận ra thì cũngkhó khăn trong việc xác định load cell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu
sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lường như đồng
hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đanghoạt động liên tục
Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân như:
Quá trình chỉnh định hệ thống
Nhiễu rung và ồn
Do tác dụng chuyển hướng 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 liênquan
Đi dây cáp tín hiệu dài
Môi trường hoạt động quá kín
Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể môhình hóa trong quá trình phân tích và thiết kế Trong khi đó điều kiện làmviệc ởmỗi nơi rất khác nhau, thiết bị đo ở cách xa cảm biến, tín hiệu truyềndẫn yếu, dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môitrường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp Tín hiệu đưa vềđến thiết bị đolường khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế
Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độthấp,năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lýchỉnh định các số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản Docác bộhiển thị sử dụng với nhiều loại load cell khác nhau nên các thuật toánchỉnhđịnh chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết
bị nàotích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ Chức năng lọc nhiễu điệntừtrường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém Một yếu điểmnữa làtần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng màlực tácdụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân bằng liêntục…
3.3.2 Loadcell số
a) Khái niệm, sự ra đời
Thời gian ra đời: Từ cuối những năm 1970
Về cơ bản load cell số là sự tích hợp giữa load cell tương tự với công nghệ điện tử hiện đại
Ban đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều người hiểu lầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển đổi một load cell chất lượng thấp lên một load cell chất lượng cao Thực tế thì ngược lại, mỗi load cell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp
Trang 16- Thứ nhất: Phải có một load cell 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 tương tự-số (ADC) 16 đến 20bit
tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương 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 được thành dữ liệu số thể hiện trung thựcnhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin
Hình 16: Cấu trúc cơ bản một loại load cell số
c) Hoạt động:
Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đếnđầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điềuchế, một ADC tốc độ cao 20bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợpsẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của load cell phục vụ cho việc bù sai số
do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trongphần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa
xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phụchồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữliệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức
nhất định Các module điện tử này có thể được đặt ngay trong loadcell, load
cell cable hoặc trong hộp junction box Các đặc tính tới hạn của từng load cell
được đặt trong EEPROM nằm trong module của load cell đó, điều đó cũng cónghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính
Trang 17cung cấp bởi nhà máy Thông thường địa chỉ “0” được sử dụng như là một địachỉ làm cho tất cả các load cell trả lời, trong khi các số nối tiếp của load cell
có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định
Các load cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu Master/Slave, ở đó định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) làmastertrên mạng Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả cácquá trìnhtruyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự, hoặc mastergửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự Chế độthứ nhất có ưuđiểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ haihướng đến tốc độgiao tiếp Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩnRS485 hoặc RS422 Cảhai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhaucung cấp một môi trườngmulti-drop Việc giao tiếp giữa các thiết bị nốitrên mạng dựa trên giao thứcquy định bởi nhà sản xuất.Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thốngload cell tương tự và sốlà mặc dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạtđộng như là một thiết bị độc lập
d) Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
- Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặcthayđổi nhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn
- Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m
- Dễ dàng thay thế load cell
- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiểnthị khi cần
- Mỗi load cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó cóthể mở rộng cấu trúc dễ dàng
- Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từngthànhphần tích hợp
- Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị Thay đổi, sửalỗimột load cell không ảnh hưởng đến các load cell khác Công việcthựchiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian
- Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnhđịnh mà không cần tải chết
- Load cell 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 giảnlàmở rộng đường dây cable Tiết kiệm phần cứng phần mềm dễ dàng pháttriển
Những ưu điểm của hệ load cell số cho phép trong các ứng dụng độchínhxác cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu cácđiểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng