luận văn tốt nghiệp dùng plc s7-200 điều khiển hệ thống cân tải bê tông

Sơ đồ khối của một hệ thống cân dùng loadcell trong luận văn như sau : Dưới tác dụng của khối lượng vật đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển tín hiệu ứngsuất lực thành tín hiệu điện ở ngõ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG

GVHD : BÙI THANH HUYỀN

SVTH : TRƯƠNG QUANG PHÚ

MSSV : 49601676

Mục lục

Phần mộtChương 0 Tổng quan hệ thống cân trộn bê tông

1 Khái niệm chung về bê tông 2

2 Các thành phần cấu tạo bê tông 2

3 Tỷ lệ pha trộn hổn hợp trong bê tông 3

4 Mô hình trạm trộn trong luận văn 4

5 Sơ lược trình tự điều khiển mô hình 5Chương 1 Hệ thống cân sử dụng loadcell

2 Các phương pháp cảm biến dùng trong đo lường

5 Cách bố trí loadcell và đấu dây cho hệ thống nhiều

Chương 2 Thiết bị chỉ thị khối lượng

1 Giới thiệu bộ hiển thị khối lượng cụ thể và cách cân chỉnh

Chương 3 Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC

4 Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC 34

6 Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của PLC 39Chương 4 PLC Siemens S7-200 và tập lệnh

1 Giới thiệu về phần cứng và cấu trúc PLC 41

Chương 5 Truyền thông nối tiếp

1 Thanh ghi điều khiển đường truyền (LCR) 79

3 Thanh ghi trạng thái đường dây (LSR) 80

5 Chuẩn RS-449, RS-423A 83

Chương 6 Sơ lược MCU AT89C51

1 Giới thiệu khái quát về họ IC MCS-51TM 98

Chương 7 Hệ thống khí nén

1 Cấu trúc hệ thống truyền động bằng khí nén 128

2 Ưu nhược điểm của hệ thống truyển động bằng khí nén

128

Phần haiChương 1 Các mạch thi công và lưu đồ giải thuật

4 Bộ khuếch đại và bộ lọc tín hiệu 142

6 Lưu đồ giải thuật điều khiển các ngỏ ra 148Chương 2 Chương trình điều khiển

1 Chương trình PLC

2 Chương trình máy tính

3 Chương trình vi xử lýChương 3 Kết quả thi công

1 Kết quả thi công và hướng phát triển

2 Một số giao diện trên máy tính

Tài liệu tham khảo:

SIMATIC S7-200 Prpgrammable Controller.

Tự động hóa với SIMATIC S7-200.

Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng.

The 8051 Microcontroller.

RS-232, RS-485 converter.

Lập trình kết nối máy tính trong windows.

Visual Basic cơ sở và dữ liệu.

Sữa chữa bảo trì các thiết bị hệ thống khí nén.

Cấu trúc vật liệu xây dựng.

Đo lường và điều khiển bằng máy tính.

Một số website :

Trong lĩnh vực xây dựng bê tông là một nguyên vật liệu cô cùng quang trọng, chất lượng của bê tông có thể đánh giá được chất lượng của toàn bộ công trình Do đó việc xác định chính xác khối lượng từng nguyên liệu có trong thành phần bê tông cũng chính là việc xác định chất lượng của nó Vì vậy nhiệm vụ cân trộn bê tông được đề

ra Trong luận văn này chỉ mô tả một hệ thống cân xi măng, cát, đá hoạt động theo hai phương pháp Đó là hoàn toàn tự động hoặc điều khiển bằng tay Nhiệm vụ chủ yếu là khối lượng nguyên liệu cân cần phải chính xác với khối lượng đặt, cảm biến

được sử dụng xác định trọng lượng là loadcell.

Trong một hệ thống trộn bê tông thực tế có rất nhiều yếu tố đầu vào lẫn đầu ra cần phảixác định, đó là:

 Xác định ứng dụng của bê tông:

Những công trình xây dựng khác nhau cần có những loại bê tông khác nhau đểthích ứng với môi trường xung quanh Ví dụ như bê tông dùng để xây dựng nhà caotầng yêu cầu chất lượng cao, khả năng chịu nén tốt Bê tông dùng để đúc các trụcầu cần phải có chất phụ gia chóng đông và phải có độ bền cao trong môi trườngnước Do đó bê tông sẽ có những loại khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng.Loại bê tông được xác định dựa vào tỉ lệ pha trộn các thành phần

 Xác định loại xi măng

 Xác định thành phần các,đá

 Xác định tỉ lệ nước

Vì vậy để điều khiển một hệ thống trộn thực tế cần phải kết hợp nhiều vấn đề từ cơ khí, kỹthuật xây dựng đến điều khiển tự động

Trạm trộn bê tông

1 Khái niệm chung về bê tông.

Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước Trong đó cát vàđá chiếm 80%-85%, xi măng chiếm 8%-15%, còn lại là khối lượng của nước.Ngòai

ra còn có phụ gia thêm vào để thỏa mãn yê cầu đặt ra.Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần cát, đá, xi măng, nước Mỗi thànhphần cát, đá, xi măng khác nhau sẻ tạo thành nhiều loại mác bê tông khác nhau

2 Các thành phần cấu tạo bê tông.

2.1 Xi măng.

Việc lựa chọn xi măng là đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế bê tông Có nhiềuloại mác xi măng,xi măng mác càng cao thì độ kết dính càng tốt, tuy nhiên giáthành của xi măng củng tăng theo mác của nó Vì vậy khi thiết kế bê tông ta phảivừa bảo đảm yêu cầu kĩ thuật, vừa bảo đảm yêu cầu kinh tế

2.2 Cát.

Cát dùng chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo Kích thước hạtcát từ 0.4 – 5mm Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần tạpchất, thành phần hạt, … Trong thành phần của bê tông cát chiếm khoảng 29%

2.3 Đá dăm.

Đá dăm có nhiều loại, tùy thuộc vào kích cỡ của đá Do đó tùy thuộc vào mác củabê tông mà ta chọn cỡ đá cho phù hợp Trong thành phần bê tông đá dăm chiếmkhoảng 52%

2.4 Nước.

Nước để chế tạo bê tông là nước phải có đủ phẩm chất để không ảnh hưởng xấuđến thời gian ninh kết của bê tông vàkhông ăn mòn sắt thép

2.5 Phụ gia.

Phụ gia sử dụng có dạng bột, thường có hai loại phụ gia :

 Loại phụ gia hoạt động bề mặt

Loại phụ gia hoạt động bề mặt mặc dù được sử dụng một lượng nhỏ nhưng cókhả năng cải thiện đáng kể tính chất của hỗn hợp bê tông và tăng cường nhiềutính chất khác của bê tông

 Loại phụ gia rắn nhanh

Loại phụ gia rắn nhanh có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trongđiều kiện tự nhiên, cũng như nâng cao cường độ bê tông.Hiện nay trong công nghệ bê tông người ta còn sử dụng phụ gia đa chức năng

3 Tỷ lệ pha trộn các thành phần trong bê tông.

3.1 Ximăng P400, đá dăm 10*20, cát vàng : tính cho 1m3 bê tông.

3.2 Xi măng P500, đá dăm 10*20, cát vàng : tính cho 1m3 bê tông.

4 Mô hình trạm trộn trong luận văn.

5 Sơ lược trình tự điều khiển.

Nguyên liệu được đưa vào bồn sơ cấp gọi là bồn chứa nguyên liệu vào sau đó nguyên liệuđược tải vào hai cilo A và cilo B một bên tượng trưng cho xi măng, một bên tượng trưngcho các và đá nhờ một động cơ gọi là động cơ tải nguyên liệu vào Trong khi đó sẽ có mộtnguyên liệu được cân khi cân đạt đến khối lượng đặt thì nguyên liệu được xả ra ngoài cilocân và được một động cơ tải ra ngoài gọi là động cơ xả Trong khi đó nguyên liệu còn lạiđược đổ vào cilo cân để xác định khối lượng Quá trình thực hiện một cách tuần tự nhưvậy nếu đặt ở chế độ tự động, nếu đặt ở chế độ manual thì có thể điều khiển từng van vàđộng cơ

Do nhiệm vụ chính của luận văn là cần phải cân chính xác khối lượng nguyên liệu dựa vàokhối lượng đặt nên quá trình hoạt động của hệ thống không được hoàn thiện so với thực tế

1 Tổng quan về hệ thống cân.

Sơ đồ khối của một hệ thống cân dùng loadcell trong luận văn như sau :

Dưới tác dụng của khối lượng vật đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển tín hiệu ứngsuất lực thành tín hiệu điện ở ngõ ra Tín hiệu điện này rất nhỏ được khuếch đại lênnhiều lần trước khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D do modul A/D của PLC thực hiện đểchuyển thành tín hiệu số và được đưa về bộ xử lý trung tâm của PLC để xử lý theochương trình có sẵn và hiển thị, có thể hiển thị trên máy tính hoặc trên bộ TD 200của hãng SIEMENS (do không có bộ TD 200 nên thay thế bằng bộ bộ hiển thị LED

7 đoạn dùng vi xử lý)

ùHiển thị

Loadcell đại Khuếch

Nguồn cung cấp

RS 232-485

Máy tính

Do tính linh hoạt của bộ xử lý PLC, tùy theo mục đích cụ thể mà chương trình viếtcho bộ xử lý khác nhau Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnhvực có liên quan đến việc đo khối lượng Một số ứng dụng có sử dụng cân điện tửnhư sau:

Trong một trạm đăng kiểm xe có một hệ thống cân xe nhằm xác định tải trọng xe,hệ thống cân xe này cần phải sử dụng loadcell và thiết bị hiển thị gọi là đầu cân(weight indicator)

Trong bưu điện ở khâu cân bưu phẩm thì cần phải xác định khối lượng kiện hàngchính xác đến từng gam cho nên cần phải sử dụng cân điện tử

Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều trong các nhàmáy ở nước ta làø dùng trong việc đóng gói sản phẩm Người dùng có thể nhập vàokhối lượng cho một gói hàng hay bao gạo … khi đạt đến giá trị quy định này, ngõ racủa bộ xử lý có thể được dùng để điều khiển việc rót hàng hay dây chuyền đểđóng gói sản phẩm, có thể là bằng cách kích các relay để làm đóng, mở các valveselenoid dùng khí nén

Điều quan trọng trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển viết cho bộ xửlý và cách giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Phần này thì khác nhau đối với cácứng dụng cụ thể khác nhau

Nội dung của luận văn này là sử dụng loadcell làm cảm biến khối lượng trong hệthống cân tải bê tông theo mô hình đã được xây dựng sẵn

2 Các phương pháp và cảm biến được dùng trong đo lường khối lượng.

2.1 Các phương pháp đo khối lượng.

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng định luật

II Newton, theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽ bằng tích số khốilượng và gia tốc của nó, tức là:

F = ma (1)Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sức hút trái đất,vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực

P = m.gvới g(m/s2) là gia tốc trọng trường là một số cố định ở từng khu vực Tất cả cácphương pháp đo khối lượng đều dựa vào quan hệ này

Tuy nhiên công thức (1) không có nghĩa là nếu không có lực tác dụng lên vật thể nếukhông có gia tốc, mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Khi hai lực cân

bằng cùng tác dụng lên vật theo hai hướng ngược nhau thì làm cho vật thể cân, khôngtạo nên gia tốc làm cho vật chuyển động Có hai phương pháp để tạo nên lực cânbằng Đó là phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dịch chuyển.

2.1.1 Phương pháp cân bằng 0.

Phương pháp cân bằng 0 là phương pháp xác định khối lượng một vật chưa biết dựatrên khối lượng một vật đã biết gọi là quả chuẩn

Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào việc đo khốilượng Một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân Các quả cân được hiệu chỉnhchính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đĩa bên kia cho đến khi cân bằng.Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng các quả cân đặt lên

Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được chế tạo để ít chịusự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cânbằng Theo định luật moment hệ thống sẽ cân bằng khi : P1.l1 = P2.l2

với g không đổi thì m1.l1 = m2.l2

Theo biểu thức trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽsuy ra khối lượng cần tìm

2.1.2 Phương pháp cân dịch chuyển.

Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịch chuyển dướitác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra Khối lượng chưa biết đặt trên giá cântreo trên lò xo đã được hiệu chỉnh Lò xo di động cho đến khi lực đàn hồi của lò xo cân

bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết Lượng di động của lò xo đượcdùng để đo khối lượng chưa biết Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽlàm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay của kim sẽ xácđịnh khối lượng của vật cần cân.

Một cách khác có thể cân được vật là cấp nguồn DC cho biến trở xoay Khi có khối lượng đè lên bàn cân, thông qua cơ cấu di chuyển thích hợp sẽ làm xoay biến trở và do đó điện áp lấy ra cũng thay đổi Điện áp này được đưa về bộ chuyển đổi AD và xử lý Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phương pháp này là rất khó tìm biến trở tuyến tính Ngoài ra còn có thể sử dụng một

encoder và bộ đếm để đếm số xung phát ra của encoder khi xoay bởi sự di chuyển này Sơ đồ hai hệ thống cân loại

này được vẽ như trong hình sau.

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi làm biến đổi sự phân cực giữa các phân tử sự thay đổi này với lực tác dụng Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này.

3 Một số Loadcell thực tế.

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật),Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea – Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng,chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màusắc khác nhau Có thể kể ra như sau :

Exc+

Sig+

Exc-Exc+ Đỏ Vàng Xanh Đỏ

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loạiloadcell

Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau Do đó cách kếtnối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcellvà thường có các thông số như : tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trịnày có thể là từ 2mV/V đến 3mV/V hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạtđộng, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải

(Với giá trị điện áp ra danh định là 2mili Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tối đa.)

Tùy ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khácnhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng.Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế

2



4 Giới thiệu đặt tính của loadcell.

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở là mộtphương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở.Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dịch chuyển : loại liên kết (bonded)và loại không liên kết (unbonded)

Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định trên bề mặt của bộphận đàn hồi Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm cần đo biến dạng của vật đàn hồi.Biến dạng này được truyền trực tiếp vào tấm điện trở và nó làm thay đổi giá trị điện trởtương ứng

Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di động nhỏ Một lượng diđộng do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay đổi điện trở làm cảm biến Lượng diđộng cũng thường được tạo nên bằng lực tác động vào một bộ phận đàn hồi

Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dịch chuyển của bộ phận đàn hồicòn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định trên bề mặt của bộ phận đànhồi

Từ biểu thức :

Lấy vi phân hai vế ta được :

Với S là diện tích tiết diện của dây dùng làm điện trở

(D là đường kính dây) suy ra :

L là chiều dài của dây Như vậy:

S

dS L

dL d

Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở, mạch lấy tín hiệu

ra tối ưu nhất là mạch cầu Đây là một phương pháp để đo sự thay đổi nhỏ trongđiện trở của một phần tử mà giá trị điện áp ra tỷ lệ với sự thay đổi của điện trở khicó khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến

Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp : mạch cầu cân bằng và mạch cầukhông cân bằng Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được xác định từ giátrị ba điện trở đã biết trước Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảmbiến từ một giá trị cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ramạch cầu Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này lên để dễ dàng xử lý

Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone khôngcân bằng như sau:

Các trị số điện trở R2, R3, R4 là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm cảmbiến là RS ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là Rbal (balance) Liên hệgiữa giá trị R2, R3, R4 và Rbal khi cầucân bằng là :

Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch giữa

RS và Rbal Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng ta sử dụng hai hệsố  và  như sau :

Hệ số  là một phân số biểu thị sự sai lệch giữa RS và Rbal được định nghĩa là :

Hệ số thứ hai là  biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở R3 được định nghĩa bởi :

Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là :

Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu :

Rbal 

bal

bal S R

3

R R

dc S

R R

R V

R R

4 2

a b

R R

R R

thay R2R3 = Rbal x R4 (từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta được :

Để sử dụng các hệ số  và  ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng mộbiểuthức sau :

khi đó (3) trở thành :

S

bal S

a b

R

R R R R

R R R

R

R R R R R

R R R

4 3 3

3

4 4

bal

bal S

R R R

R R R

R

R

R R

R R

R R

4 3

4 3

4 4

4 4 3

3

R R

R R R R

3

4

R

R R R R R

R R R

bal S

bal S

a b

ab  

dc

bal S

Thay tất cả vào (4), ta được :

Vì sai lệch khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là :

Hay

Trong đó:

Như vậy điện áp ngõ ra ab thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm biến gây ra bởi

khối lượng (hay lực) tác dụng lên

Ngoài ra nếu nguồn Vdc cung cấp có nhiễu một lượng  thì theo nguyên lý xếpchồng và cách tính tương tự như trên, ta được biểu thức :

bal

bal S

bal S

bal

bal S

R R R

R R R R R R R R R

R R

R R R

R

4 3

3 3

4 3

4 3

4 3

3 4

3

bal

bal S

bal

R R R

R R

R R

R R

(5)

dc bal

R

R R R

R R R

4 4 3

3



bal

S R R

R V

V

S

bal dc

ab = (1-)..Vdc

Trong đó có phụ thuộc vào tích .(RS – Rbal) = .R là thành phần rất nhỏ so với

R Do đó có thể bỏ qua được nhiễu 

Có các cách kết nối điện trở cảm biến trên các nhánh cầu khác như sau (Rs là điệntrở cảm biến) :

Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng rãi trong cácloadcell thực tế Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên hai mặt của loadcell,và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị dãn ra và 2 cảm biến điện trở sẽ co lạikhi có lực tác dụng Do đó ta có quan hệ sau :

Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể được tính nhưsau :

4

4 2

2 3

3 1

R R

R R

Với R0 là tổng trở ra của loadcell.

Theo hình (a) ta có :

Va= I.R2 + (R + R).I/2Vb= I.R2 + (R - R).I/2Điện áp ra sẽ là :

Hay:

Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở này

5 Cách bố trí Loadcell và nối dây cho hệ thống nhiều loadcell

Trong hệ thống cân với khối lượng lớn, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tảitrọng chịu đựng, chiều dài xe Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell

R R R

V I







2 1

RR1 + R + R2

R o

V o +

-Do sử dụng nhiều loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín hiệu ratrước khi đưa về đầu cân để xử lý Nếu đầu cân không có chức năng này ta phảidùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các loadcell trên.

Vì mỗi loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên Junction boxcó bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch điện áp đối với cùngmột tải trọng Các biến trở này được mắc vào nguồn cung cấp cho loadcell vì thayđổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp ra Ngoài ra để có thể cộngcác tín hiệu lại với nhau, người ta dùng thêm một biến trở mắc ở ngõ ra của cácloadcell Sơ đồ nguyên lý kết nối như sau:

+

Sig-LoadcellLoadcell

Loadcell

RR

V R

V R

Với cách kết nối như vậy thì mạch tương đương của bộ cộng tín hiệu cho 4 loadcellcó thể được vẽ như sau :

Esig = Sig(+) – Sig(-)

Zin : là tổng trở nhập của bộ khuếch đại

Gọi U là điện áp ngõ vào bộ khuếch đại Ta có :

Thông thường R1=R2=R4=R5=R và rất lớn hơn so với ri nên:

hay

Và như vậy tín hiệu ra của 4 loadcell đã được cộng trước khi vào đầu cân

4 4

4 3

3

3 2

2

2 1

1

1

r R

E U r R

E U r R

E U r R

E U Z

3 2

2 1

1 4

3 2 1

1 1 1 1 1

R

E R

E R

E R

E Z R R R R

SIG SIG

SIG SIG

in

E E

E E

R Z

2 Các phương pháp và cảm biến được dùng trong đo lường khối lượng.

2.1 Các phương pháp đo khối lượng :

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng định luật

II Newton, theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là:

F = ma (1)

Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sức hút trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực

P = m.g với g(m/s2) là gia tốc trọng trường là một số cố định ở từng khu vực Tất cả các

phương pháp đo khối lượng đều dựa vào quan hệ này

Tuy nhiên công thức (1) không có nghĩa là nếu không có lực tác dụng lên vật thể nếu không có gia tốc, mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Khi hai lực cân bằng cùng tác dụng lên vật theo hai hướng ngược nhau thì làm cho vật thể cân, khôngtạo nên gia tốc làm cho vật chuyển động Có hai phương pháp để tạo nên lực cân bằng Đó là : phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dịch chuyển

2.1.1 Phương pháp cân bằng 0.

Phương pháp cân bằng 0 là phương pháp xác định khối lượng một vật chưa biết dựa trên khối lượng một vật đã biết gọi là quả chuẩn

Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào việc đo khối lượng Một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân Các quả cân được hiệu chỉnh chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đĩa bên kia cho đến khi cân bằng Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng các quả cân đặt lên

Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được chế tạo để ít chịu sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cânbằng Theo định luật moment hệ thống sẽ cân bằng khi : P1.l1 = P2.l2

Theo biểu thức trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ suy ra khối lượng cần tìm.

2.1.2 Phương pháp cân dịch chuyển.

Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịch chuyểndưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra Khối lượng chưa biết đặt trên giácân treo trên lò xo đã được hiệu chỉnh Lò xo di động cho đến khi lực đàn hồi của lò xo cân bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết Lượng di động của lò xo được dùng để đo khối lượng chưa biết Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay của kim sẽ xác định khối lượng của vật cần cân

Một cách khác có thể cân được vật là cấp nguồn DC cho biến trở xoay.Khi có khối lượng đè lên bàn cân , thông

qua cơ cấu di chuyển thích hợp sẽ làm xoay biến trở và do đó điện áp lấy ra cũng thay đổi Điện áp này được đưa về bộ chuyển đổi AD và xử lý Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phương pháp

này là rất khó tìm biến trở tuyến tính.

Ngoài ra còn có thể sử dụng một Encoder và bộ đếm để đếm số xung phát ra của encoder khi xoay bởi sự di chuyển này Sơ đồ hai hệ thống cân loại này được vẽ như trong hình sau:

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi làm biến đổi sự phân cực giữa các phân tử sự thay đổi này ä với lực tác dụng Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này.

3 Một số Loadcell thực tế :

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (củaNhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea –Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tảitrọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra củaloadcell có màu sắc khác nhau.Có thể kể ra như sau:

Exc+

Sig+

Exc-Exc+ Đỏ Vàng Xanh Đỏ

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từngloại loadcell

Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau Do đó cáchkết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗiloadcell và thường có các thông số như : tải trọng danh định , điện áp ra danh định ( giá trị này có thể là từ 2 miliVolt / Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loạiloadcell), tầm nhiệt độ hoạt động , điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịuđược quá tải

(Với giá trị điện áp ra danh định là 2mili Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tối đa.)

Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khácnhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụngriêng Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế

4 Giới thiệu về loadcell :

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở là mộtphương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở.Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dịch chuyển : loại liên kết (bonded)và loại không liên kết (unbonded)

Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định trên bề mặtcủa bộ phận đàn hồi Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm cần đo biến dạng của vậtđàn hồi Biến dạng này được truyền trực tiếp vào tấm điện trở và nó làm thay đổi giá trịđiện trở tương ứng

Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di động nhỏ Mộtlượng di động do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay đổi điện trở làm cảm biến.Lượng di động cũng thường được tạo nên bằng lực tác động vào một bộ phận đàn hồi

Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dịch chuyển của bộ phậnđàn hồi còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định trên bề mặt của bộphận đàn hồi

Từ biểu thức :

Lấy vi phân hai vế ta được :

Với S là diện tích tiết diện của dây dùng làm điện trở

(D là đường kính dây) suy ra :

L là chiều dài của dây Như vậy:

S

dS L

dL d

Thông thường các giá trị trên nằm trong khoảng G = 2  4 ; L=0,5  4 cm;R= 50  1000.

Dựa vào các công thức tính ứng suất của bộ phận đàn hồi được xác định bằngtỷ lệ giữa lực (P) trên một đơn vị diện tích (A)

Modul đàn hồi là một hằng số xác định bởi tỷ số của ứng suất trên mộtlượng biến dạng (với  là biến dạng ) ta có thể xác định được quan hệgiữa sự thay đổi điện trở dưới tác dụng của lực P Quan hệ này sẽ thay đổi tùytheo cách bố trí điện trở và hình dạng của bộ phận đàn hồi

Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở, mạch lấytín hiệu ra tối ưu nhất là mạch cầu Đây là một phương pháp để đo sự thay đổi nhỏtrong điện trở của một phần tử mà giá trị điện áp ra tỷ lệ với sự thay đổi của điệntrở khi có khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến

Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp : mạch cầu cân bằng và mạch cầukhông cân bằng Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được xác định từ giátrị ba điện trở đã biết trước Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm

biến từ một giá trị cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ramạch cầu Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này lên để dễ dàng xử lý.

Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstonekhông cân bằng như sau:

Các trị số điện trở R2, R3, R4 là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làmcảm biến là RS ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là Rbal (balance) Liênhệ giữa giá trị R2, R3, R4 và Rbal khi cầucân bằng là :

Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệchgiữa RS và Rbal Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng ta sử dụnghai hệ số  và  như sau :

Hệ số  là một phân số biểu thị sự sai lệch giữa RS và Rbal được định nghĩa là :

Hệ số thứ hai là  biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở R3 được định nghĩa bởi :Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là :

Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu :

Rbal 

bal

bal S R

3

R R

dc S

R R

R V

R R

4 2

b

R R

R R

hay

thay R2R3 = Rbal x R4 (từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta được :

Để sử dụng các hệ số  và  ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng

R R R R R R R R

3

4 2 3 2 4 2 4

S

bal S

a b

R

R R R R

R R R

R

R R R R R

R R R

4 3 3

3

4 4

bal

bal S

R R R

R R R

R

R

R R

R R

R R

4 3

4 3

4 4

4 4 3

3

R R

R R R R

3

4

R

R R R R R

R R R

bal S

bal S

a b

ab  

dc

bal S

Thay tất cả vào (4), ta được :

Vì sai lệch khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là :

Hay

Trong đó:

Như vậy điện áp ngõ ra ab thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm biến gây

ra bởi khối lượng (hay lực) tác dụng lên

Ngoài ra nếu nguồn Vdc cung cấp có nhiễu một lượng  thì theo nguyên lýxếp chồng và cách tính tương tự như trên, ta được biểu thức :

bal bal

bal S

bal

bal S

R R R

R R R R R R R R R

R R

R R R

R

4 3

3 3

4 3

4 3

4 3

3 4

3

bal

bal S

bal

R R R

R R

R R

R R

(5)

dc bal

R

R R R

R R R

4 4 3

3



bal

S R R

ab = (1-)..Vdc

Trong đó có phụ thuộc vào tích .(RS – Rbal) = .R là thành phần rất nhỏ

so với R Do đó có thể bỏ qua được nhiễu 

Có các cách kết nối điện trở cảm biến trên các nhánh cầu khác như sau (Rslà điện trở cảm biến) :

Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng rãitrong các loadcell thực tế Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên hai mặtcủa loadcell, và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị dãn ra và 2 cảm biến điệntrở sẽ co lại khi có lực tác dụng Do đó ta có quan hệ sau :

Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể được

tính như sau :

R R

R V

V

S

bal dc

2 3

3 1

R R

R R

Với R0 là tổng trở ra của loadcell.

Theo hình (a) ta có :

Va= I.R2 + (R + R).I/2Vb= I.R2 + (R - R).I/2Điện áp ra sẽ là :

Hay:

Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở này

5 Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây :

Trong hệ thống cân với khối lượng lớn, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải trọng chịu đựng, chiều dài xe Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell

R R R

V I







2 1

RR1 + R + R2

R o

V o +

+

Sig-LoadcellLoadcell

Loadcell

RR

V R

V R

Do sử dụng nhiều loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín hiệu

ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý Nếu đầu cân không có chức năng này ta phải dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các loadcell trên

Vì mỗi loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên

Junction box có bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch điện ápđối với cùng một tải trọng Các biến trở này được mắc vào nguồn cung cấp cho loadcell vì thay đổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp ra Ngòai ra để có thể cộng các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng thêm một điện trở mắc ở ngõ ra của các loadcell Sơ đồ nguyên lý kết nối như sau:

Với cách kết nối như vậy thì mạch tương đương của bộ cộng tín hiệu cho 4 loadcell có thể được vẽ như sau :

Esig = Sig(+) – Sig(-)

Zin : là tổng trở nhập của bộ khuếch đại

Gọi U là điện áp ngõ vào bộ khuếch đại Ta có :

Zin Esig1 Esig2 Esig3 Esig4

Thông thường R1=R2=R4=R5=R và rất lớn hơn so với ri nên:

hay

Và như vậy tín hiệu ra của 4 loadcell đã được cộng trước khi vào đầu cân

4 4

4 3

3

3 2

2

2 1

1

1

r R

E U r R

E U r R

E U r R

E U Z

3 2

2 1

1 4

3 2 1

1 1 1 1 1

R

E R

E R

E R

E Z R R R R

2 1

4

1 1 4

SIG SIG

SIG SIG

in in

SIG SIG

SIG SIG

in

E E

E E

R Z

Z U

E E

E E

R Z

R U

_

Cũng như loadcell, thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãngsản xuất khác nhau Tùy mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân cónhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân làlấy tín hiệu điện áp từ loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối lượng cân được

ra đèn Led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tínhhoặc ra máy in Ngoài ra còn có các chức năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”,

… Để thực hiện các chức năng như trên với độ chính xác cao, đầu cân phải có mộtbộ nguồn chuẩn ổn định cấp cho loadcell và A/D Thông thường AD sử dụng là loại

16 bit hoặc cao hơn sẽ cho độ phân giải là một phần 65536 và như vậy độ chính xácsẽ rất cao Ngoài bộ vi xử lý đủ mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữsố liệu sau khi cân chỉnh

Ngoài ra tùy theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xahay không

Giới thiệu các thông số kỹ thuật và chức năng của một đầu cân cụ thể được trìnhbày ở phần sau

1 Giới thiệu một bộ hiển thị khối lượng cụ thể và cách cân chỉnh cho đầu cân thực tế.

Phần này giới thiệu sơ lược một bộ hiển thị khối lượng (Weighing Indicator) cụ thểlà AD – 4323 được sản xuất bởi A&D Company, Limited của Nhật và cách cân

chỉnh cho một đầu cân thực tế Tuy không phải là loại được sử dụng phổ biếnnhưng ở đây chỉ muốn giới thiệu một đầu cân điển hình và cách cân chỉnh khi lắpđặt cũng như sửa chữa

Đầu cân này có các đặc điểm như sau :

Sử dụng bộ biến đổi A/D tốc độ nhanh đến 70 lần trong một giây Vì vậy

AD – 4323 thích hợp cho việc tĩnh và cả việc cân động

Bộ biến đổi A/D có độ phân giải cao và chính xác

Dễ dàng cân chỉnh bằng chức năng FDC (Full Digital Compensation)

Có những lựa chọn thuận tiện cho việc giao tiếp với thiết bị bên ngoài nhưmáy in , máy tính ,bộ hiển thị từ xa trong việc truyền dữ liệu song songmã BCD hay nối tiếp theo chuẩn RS – 232C

Màn hình hiển thị huỳnh quang màu xanh loại lớn dễ dàng nhìn thấy trongbất kỳ điều kiện ánh sáng nào

Ngoài ra AD-4323 còn cung cấp các lựa chọn (Option) cho các ứng dụngkhác