Hệ thống cân tải trọng ô tô

“Nghiêm minh và công tâm để “siết” xe quá tải”. Đó là khẳng định mạnh mẽ của Bộ Công an và Bộ Giao thông vận tải để sử lý tình trạng xe tải “nuốt” đường bộ.Theo thống kê thì vận tải đường bộ chúng ta chiếm tỉ trọng lớn (92% lượng hành khách và 73,4% lượng hàng hóa) qua kiểm tra cho thấy, trong số xe được kiểm tra có đến 50% số lượng xe chở quá trọng tải cho phép, có xe vượt quá tải đến 200%.

Đề Tài: Hệ Thống Cân Tải Trọng Ô Tô

Giới hạn điều kiện:

1 Dải cân 0-50 tấn

2 Bàn cân bằng kim loại

3 Sai số của phép đo 0.1%

Yêu cầu đề tài:

1 Trình bày tổng quan về công nghệ cân kiểm tải trọng ô tô?

2 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?

3 Liệt kê cảm biến có trong hệ thống?

4 Các phương án lựa chọn cảm biến trong hệ thống?

5 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn? (Nguyên lý hoạt động, số lượng cảmbiến)

6 Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, sử lý đo tín hiệu đầu ra củacảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển?

7 Đánh giá sai số của hệ thống? (Giới hạn, nguyên nhân biện pháp khắc

phục)

Lời Nói Đầu

“Nghiêm minh và công tâm để “siết” xe quá tải” Đó là khẳng định mạnh mẽ của Bộ Công an và Bộ Giao thông vận tải để sử lý tình trạng xe tải “nuốt” đường bộ.

Theo thống kê thì vận tải đường bộ chúng ta chiếm tỉ trọng lớn (92% lượng hành khách

và 73,4% lượng hàng hóa) qua kiểm tra cho thấy, trong số xe được kiểm tra có đến 50% số lượng xe chở quá trọng tải cho phép, có xe vượt quá tải đến 200%.

Qua những trích dẫn trên cân ô tô hiện nay thực sự là quan trọng, trạng bị cho các cơquan chức năng, nhà máy sản xuất chế biến cân hàng hóa phục vụ công tác quản lý

hàng hóa, xuất nhập trong hoạt động sản suất

Trên cơ sở đó chúng em hiểu được tầm quan trong của đề tài: hệ thống cân tải trong ô tô

mà nhóm được giao nhiệm vụ làm, tính thực tế của đề tài

Dưới đây là phần trình bày bài làm, vì kiến thức có hạn cũng như kinh nghiệm khôngnhiều Chắc chắn bài làm của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em

rất mong nhận được sự nhận xét và góp ý kiến của thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên làm đề tài

Mục Lục

Tên đề tài……….2

Lời nói đầu……… 3

Chương 1: Trình bày tổng quan về công nghệ cân kiểm tải trọng ô tô……… 5

1 Cân ô tô là gì? 5

2 Phân loại cân ô tô……….5

Chương 2: Nội dung thực hiện……….6

I Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống……….6

II Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống……… 6

A Liệt kê theo hình dáng 1 Loadcell uốn đơn 2 Loadcell trụ 3 Loadcell uốn kép B Kiệt kê theo cấu tạo của load cell 1 Cảm biến áp trở kim loại 2 Cảm biến áp trở bán dẫn III Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống………11

1 Số lượng cảm biến cho một bàn cân 2 Loại cảm biến và cấu tạo cảm biến IV Trình bày về loại cảm biến lựa chọn……… 12

1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến loadcell 2 Số lượng cảm biến V Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, sử lý, đo thiết bị đầu…………15

ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển 1 Cấu tạo của bàn cân trọng tải ô tô 2 Vị trí lắp đặt cảm biến 3 Tính toán sử lý đo tín hiệu đầu ra của cảm biến VI Đánh giá về sai số của hệ thống……….24

1 Hạn chế của hệ thông cân trọng tải ô tô 2 Nguyên nhân gây sai số 3 Biện pháp khắc phục Chương 3: Kết luận………25

3.1 Các kết quả đạt được……… 25

Cân ô tô là một hệ thống được cấu thành từ ba loại thiết bị chính bao gồm:

a) Kết cấu xây dựng (Bao gồm sắt thép, xi măng… Để làm thành móng cân) b) Phần mặt cân được làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép

c) Thiết bị điện cho trạm cân (Bao gồm: Cảm biến lực, hộp cộng tín hiệu, bộ hiển thị, bảng led và thiết bị phụ trợ khác)

2 Phân loại cân ô tô

Gồm 3 kiểu:

- Cân ô tô kiểu nổi (Pitless type)

- Cân ô tô kiểu chìm (Pit type)

- Cân ô tô kiểu nữa nổi, nữa chìm (Semi pit type)

Giải pháp lựa chọn:

Nếu mặt bằng đủ rộng nên ưu tiên cân kiểu nổi, ngược lại nên ưu tiên cân kiểuchìm Nếu cân trong môi trường hóa chất phân bón hay các chất ăn mòn mạnh,đòi hỏi cân phải dễ dàng vệ sinh làm sạch các loại hóa chất có thể dợi vãi trongcân (để bảo vệ bàn cân và loadcell) thì nên chọn cân kiểu nổi.

Chương 2: Nội dung thực hiện

I Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống

- Hệ thống cân ô tô hoạt động dựa trên công nghệ cân điện tử khi Có áp lưc

của trọng tải lên mặt cân, các cảm biến (Loadcell) sẽ nhận tín hiệu và chuyềnđến hộp nối dây - hộp cộng tín hiệu (Junction box) Tại đây các tín hiệu từ cácloadcell chuyển đến sẽ được cộng lại và chia trung bình để tìm ra khối lượngcủa xe Giá trị này sẽ được hiển thị ra màn hình thông qua bộ chuyển đổi vàhiển thị Đó là đầu cân - chỉ thị cân (Indicator) hệ thống này sẽ được kết nốivới máy tính để điều khiển quản lý số liệu bằng phần mền chuyên dụng cân ôtô

- Bộ phận chính có tác dụng xác định giá trị trọng tải xe trong hệ thống cân

ô tô là bộ cảm biến gồm các loadcell được kết nối với nhau Loadcell hoạt động nhờ vào cơ cấu đo cảm biến bến dạng - áp trở (Tenzo) gắn trên nó

II Liệt kê các loại cảm biến có trong hệ thống

A Liệt kê theo hình dáng

1 Loadcell uốn đơn (Thanh) (Single end sheer beam):

Kích thước cồng kềnh, khối lượng nặng, khó lắp đặt nên hiện nay hầu như

không sử dụng khi lắp mới

Hình 2.1 Hình dạng loadcell uốn đơn (Thanh)

2 Loadcell trụ (Rocker pin):

Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, dễ lắp đặt nên hiện nay rất phổ biến Tuy nhiên, độ chính xác thấp do phụ thuộc rất lớn vào độ nghiêng của loadcell và phụ thuộc vào những yếu tố sau:

- Trình độ nhân viên căn chỉnh lắp đặt

- Sự co giãn của bàn cân dưới sự tác động dẫn đến độ nghiêng của loadcell

Độ võng của bàn cân dưới tác động của trọng tải lớn cũng có thể ảnh hưởng đến độ nghiêng của loadcell

Hình 2.2 Hình dạng loadcell trụ

3 Loadcell uốn kép (Double end sheer beam):

Khắc phục được nhược điểm của 2 loại loadcell trên: Kích thước gọn, khối lược nhẹ, dễ lắp đặt độ chính xác ít bị ảnh hưởng do cấu tạo đặc biệt của chúng:

- Thứ nhất, do có bi thép tự lựa nên lực tác dụng xuống loadcell luôn thẳng đứng

- Thứ hai, loadcell này cấu tạo tương đương 2 loadcell uốn đơn ghép lại nên khi

bị lệch tâm, tín hiệu loadcell luôn ổn định do có sự bù trừ qua lại giữa tín hiệu hai loadcell đơn

Hình 2.3 Hình dạng loadcell uốn kép

B Liệt kê cấu tạo của loadcell

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

Như vậy ta đã biết điện trở của một vật dẫn được biểu diễn bằng biểu thức:

εr = ΔR Ta có:R/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.R: Lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

εl = ΔR Ta có:l/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.l: Lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

εp= ΔR Ta có:p/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.p: Lượng biến thiên tươngng đối theo điện trở suất

εs = ΔR Ta có:s/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.s: Lượng biến thiên tương đối theo tiết diện

1 Cảm biến áp trở kim loại

Cảm biến áp trở kim loại được chế tạo theo 3 dạng cơ bản: Dây mảnh, lá mỏng và màng mỏng

a Áp trở dây mảnh:

Gồm có dây điện trở uốn hình răng lược, đường kính 0,02 ÷ 0,03 mm Hai đầu dây hàn với 2 lá đồng berin hoặc đồng phootpho để nối với mạch đo Hai phía dán hai tấm giấy mỏng 0,1 mm hoặc nhựa polymide (0,03mm) để cố định hình dáng dây, chiều dài dây L=nl0 (l0 là độdài một đoạn dây, n: số đoạn );

n=10-20 Bình thường I0 =8-15 mm, có thể tới 100mm hoặc có thể nhỏ hơn 2,5

mm chiều rộng a0=3÷10 mm

b Áp suất dạng lá mỏng:

Là một lá rất mỏng có độ dày 4÷12µm là từ hợp kim Constantan, chế tạo theophương pháp ăn mòn quang học Ưu điểm là có kích thước nhỏ hình dáng linh hoạt , độ nhạy lớn ít chịu biến dạng ngang do chế tạo và điện trở lớn

c Áp trở dạng màng mỏng:

Chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại có tốc độ nhạy cao bám vào một khung có hình dạng định dạng định trước, ưu điểm là có thể chế tạo hình dạng phức tạp, kích thước nhỏ, điện trở ban đầu lớn, độ nhạy cao

Hình 2.4 Cấu tạo cơ bản của áp trở kim loại

d Yêu cầu vật liệu chế tạo áp trở

- Độ nhạy thông thường k nằm trong khoảng 1,8÷2,35 ± 0,1% Với hợp kim platin – vofram k=4,1

- Hệ số nhiệt cần nhỏ vì điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ

- Điện trở suất phải đủ lớp để giảm điện trở suất và độ dài dây

- Vật liệu chọn cần chịu được áp lực lớn để tránh đứt khi chế tạo và sử dụng Ứng lực tối đa không nên biến dạng cố định có trị số lớn hơn 0,2% (Độ lớn của giớ hạn đàn hồi bằng kgN/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.mm)

b Loại khuếch tán:

Điện trở được tạo nên bằng cách khuếch tán tạp chất như Sb,Ga,Mn…vào mộtphần của đơn tinh thể Silic đã pha tạp tùy theo tạp chất khuếch tán mà ta có áp trở loại n hoặc loại p

III Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống

1 Số lượng cảm biến cho một bàn cân

 Với bàn cân 0-50 tấn: Kích cỡ bàn cân có thể là:

- Cân một khớp (3×6m, 3×7m)

- Cân hai khớp (3×8m, 3×9m, 3×10m… 3×16m)

 Với bàn cân một khớp chúng ta có thể chọn 4 cảm biến cho bàn cân và đặt ở

vị trí 4 góc vì chiều dài của bàn cân là nhỏ

 Với bàn cân hai khớp chúng ta có thể chọn 6 cảm biến cho loại (3×8-9-10m) còn với loại lớn hơn chúng ta có thể chọn 8 cảm biến (3×16m)

2 Loại cảm biến và cấu tạo của cảm biến

* Loại cảm biến (Đã phân loại ở trên): - Loại uốn đơn (Thanh)

- Loại trụ

- Loại uốn kép

* Theo cấu tạo: - Công nghệ cân tín hiệu tương tự Analog

- Công nghệ cân Digital (Công nghệ số)

Hình 3.1 Hình ảnh về cấu tạo loadcell theo kiểu Analog và Digital

IV Trình bày về loại cảm biến lựa chọn (Nguyên lý hoạt động, số lượng cảm biến)

Loại cảm biến lựa chọn là cảm biến áp trở kim loại, loại trụ (Sử dụng công nghệ Analog).

1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến loadcell

- Cảm biến điện trở lực căng bản chất là một dây điện trở làm bằng vật liệu có tính chất là khi dây điện trở này bị lực tác động gây biến dạng như bị bẻ cong,

bị kéo căng… sẽ làm giá trị điện trở của dây trở bị thay đổi, và lượng thay đổi điện trở của dây trở sẽ tỉ lệ với các lực tác động gây biến dạng dây trở Dựa vào đó chúng ta xẽ xác định được lực tác động thông qua sự thay đổi điện trở của dây trở Loại cảm biến này được sử dụng trong các mạch cân điên tử và được sử dụng rất phổ biến hiệu quả trong công nghiệp

- Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt

của thân loadcell

Hình 4.1 Mô tả cấu tạo điện trở strain gauges

- Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

- Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị

- Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng

Hình 4.2 Mô tả cơ bản khi hoạt động của loadcell

- Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), 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 Sự thay đổi này dẫn tới

sự thay đổi trong điện áp đầu ra

Hình 4.3 Sự biến đổi của áp trở

- 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),

và được sử lý tiếp theo

- Lựa chon cảm biến loadcell trụ cho hệ thống bàn cân gồm 6 loadcell (Áp trở kim loại)

- Do hệ thống cân ô tô thường đặt ở ngoài trời, hay làm việc lưu động không cố định nên ta lựa chọn cảm biến áp trở kim loại để tăng độ bền và hoạt động ổn định

- Mô hình vị trí lắp đặt của các loadcell trên bàn cân như hình vẽ dưới đây (cho

bộ cảm biến dùng 6 loadcell), tạo ra sự phân bố hợp lý và đạt hiệu quả chính xác cao

Hình 4.4 Số lượng 6 cảm biến loadcell cho bàn cân

V Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến và tính toán sử lý đo tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển

1 Cấu tạo của bàn cân trọng tải ô tô

- Có hai loại bàn cân ô tô chính là: Bàn cân thép và bàn cân bê tông

a Bảng so sánh: Bàn cân ô tô thép và bàn cân bê tông

Bàn cân

cân nặng

 Dễ gây mỏi loadcell

 Chịu ảnh hưởng nhiều của thời tiết (co dãn bê tông)

 Khó di rời, lắp đặtkhó

thép dầm

 Tuổi thọ cao

 Dễ dàng lắp đặt hoặc di rời

của bàn cân được làm

từ tôn phẳng uốn hình U

 Bàn cân được sơn 2

lớp chống gỉ và sơn mầu thẩm mỹ cao

 Tham khảo bàn cân

dầm U

 Giá thành cao

 Chịu lực chính

của bàn cân được làm

từ thép I300 hoặc I600đúc nguyên thanh có

độ dẻo và độ cứng đảm bảo

 Với các kích thước

lớn, bàn cânđược chia

làm nhiều Module, có kết cấu đồng nhất

Bàn cân kiểu nổi có thể tháo rời và lắp ráp di động

Vật liệu chế tạo: Toàn bộ mặt bàn cân được làm bằng thép

Bàn cân được chế tạo bằng thép tấm và thép hình sử dụng công nghệ uốn cao.Khả năng chịu tải của bàn cân: 0-50 tấn

Khả năng chịu quá tải an toàn của bàn cân 120%, quá tải phá hủy 300%

Dầm cân chế tạo bằng thép sử dụng công nghệ mới uốn tôn chuyên dụng mớinhất và tiên tiến nhất hiện nay, có khả năng chịu lực cao.

Thép mặt trên bàn cân chế tạo bằng sắt tấm chiều dày 10-12mm

Bàn cân có hệ thống chống dao động ngang và dọc, đảm bảo trong quá trình làmviệc bàn cân không bị dao động lớn ảnh hưởng đến kết quả cân Toàn bộ mặt bàncân đều được sơn 2 nước, chống gỉ và sơn màu thẩm mỹ

Hình 5.1 Hình ảnh bàn cân lựa chọn

2 Vị trí lắp đặt cảm biến loadcell

- Do đặc thù về sử dụng bàn cân để cân trọng tải ô tô có kích thước lớn, cồng kềnh phải sử dụng bàn cân lớn, nên đòi hỏi vị trí loadcell cũng phải được lắp đặt ở một vị trí thích hợp nhất để mang lại hiệu quả cao, như các hình biểu diễn dưới đây:

- Chia đều cảm biến ở đáy bàn cân tạo cho bàn cân có sự chắc chắn và chính xác nhất

Hình 5.2 Mô phỏng vị trí lắp đặt loadcell

Hình 5.3 Vị trí lắp các loadcell trong thực tế bàn cân

3 Tính toán, sử lý, đo tín hiệu đầu ra của cảm biến

Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng tính toán, sử lý, đo tín hiệu đầu ra của cảm biến

A Hộp nối dây-hộp cộng tín hiệu

- Hộp nối dây là nơi kết nối các loadcell lại với nhau, tùy từng loại mà có thể kết nối được 4,6,8… Loadcell với nhau

Hình 5.4 Sơ đồ hộp nối dây 6 loadcell

- Nguyên tắc của hộp nối dây là cộng tất cả các tín hiệu của các loadcell nối vào

nó rồi chia trung bình để tìm ra khối lượng chính xác nhất của vật cần đo

Hình 5.5 Hộp cộng tín hiệu cho 6 loadcell

B Đầu cân - chỉ thị cân (Indicator)

Hình 5.6 Bảng chỉ thị cân

- Nguồn cung cấp: Từ 85 đến 264 VAC, 49 đến 63 Hz

- Công suất tiêu thụ: 12W

- Điện áp kích thích Loadcell: 5 VDC

- Cấu tạo vỏ: Hợp kim nhôm

- 06 phím chức năng

- Đèn hiểm thị: Đèn huỳnh quang chân không, góc nhìn rộng

- Độ phân giải trong: 1.000.000

- Độ phân giải hiển thị: 10.000 e

- Tốc độ biến đổi A/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.D: 20 lần/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.giây

- Tính năng lọc nhiễu bằng kỹ thuật số

- Chức năng cân: Cân thông thường, cân động vật, cân đếm, giữ số hiển thị, cộng dồn

- Ngoại vi giao tiếp: chuẩn RS232/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.20mA/R = Δl/ l + Δp/p - ΔS/S.RS422

C Màn hiển thị lớn - Đèn Led (Display)

Phần mềm quản lý dữ liệu cân điện tử cân ô tô WS01

- Tương thích WinXP, Vista, Windows7.

- Tương thích các loại bộ chỉ thị cân ô tô có cổng kết nối RS232

- Tùy biến theo yêu cầu khách hàng

- Dữ liệu SQL có khả năng kết nối với các phần mềm quản lý khác

 Máy in

- Máy in được kết nối với máy tính và được điều khiển bằng dao diện

- Thực hiện nhiệm vụ in dữ liệu thông tin sau khi đã được sử lý hoàn chỉnh phục vụ công tác đo lường, sử lý

* Barie điều khiển vào ra…

- Vận chuyển bàn cân, lắp đặt bàn cân.

- Lắp đặt phần điện, điện tử

- Cài đặt phần mềm quản lý trạm cân, đọc, truy xuất dữ liệu, in ấn phiếu cân…

- Cân chỉnh toàn bộ bàn cân

- Hướng dẫn sử dụng toàn bộ thiết bị cân điện tử, vận hành, kiểm tra, sửa chữa những hư hỏng đơn giản

VI Đánh giá về sai số của hệ thống (Hạn chế, nguyên nhân biện pháp khắc

phục)

1 Hạn chế của hệ thống cân trọng tải ô tô

- Lắp đặt cồng kềnh

- Giới hạn cân trong khoảng rộng thì chi phí cao

2 Nguyên nhân gây sai số

Với công nghệ cân trọng tải ô tô như thiết kế, đề tài với 6 loadcell và dùng công nghệ cân phổ biến nhất hiện nay như trên, thì khả năng gây sai số là rất nhỏ < 0,1%.

- Lắp đặt thiết bị sai kỹ thuật

- Chất lượng của bàn cân (bàn cân và đường dẫn không nằm trên cùng một trục mặt phẳng, đặt bàn cân không đúng kỹ thuật)