Thiết Kế Hệ Thống Cân Ô Tô 4 bánh

Báo cáo kĩ thuật đo lường Thiết kế hệ thống cân ô tô 4 bánh dùng loadcell tải trọng lớn hơn 20 tấn .phân tích chọn cảm biến tính toán điện áp để đưa ra dữ liệu khối lượng tới máy chủ đại học bách khoa

Nguyễn Ngọc Tú – Bài tập kĩ thuật đo lường

Bài tập thiết kế hệ thống cân ô tô 4 bánh tải trọng ≥ 20 tấn

1 Chọn phần tử đàn hồi

Do đặc thù cân ô tô là lực nén thẳng đứng tác động xuống loadcell nên ta Chọn phần tử đàn hồi trục dọc – hình trụ nén

Tải trọng cỡ 20 tấn trở lên Do có 4 loadcell bố trí 4 góc bàn cân Nên mỗi loadcell chịu tải trọng tối thiểu 5 tấn Ta chọn loadcell có tải trọng 15 tấn

Chọn loadcell SLC610 (15t) của hãng Metler Toledo

Nguyễn Ngọc Tú – Bài tập kĩ thuật đo lường

0.0125

0.0125

Temperature Range

Ratings

II 1 G Ex ia IIC T6/T5 Ga, II 1 D Ex ia IIIC T100°C Da

II 2 G Ex ia IIC T6/T5 Gb, II2 D Ex ia IIIC T100°C Db

II 3 G Ex nA IIC T6/T5 Gc, II 3 D tc IIIC T100°C Dc

II 3 G Ex ic IIC T6/T5 Gc

Material

Protection

Các thông số quan trọng cần giải thích

 Rate Capacity : Mức tải trọng cho phép Chọn 15 tấn

 Excitation Voltage : Điện áp kích thích cấp cho loadcell Chọn bằng 10V

 Rate Output: 2mV/V Điện áp ra tương ứng với tải trọng cao nhất sẽ được tính bằng Rate Output * Excitation Voltage Như vậy ở đây , với tải 15 tấn thì điện áp ra sẽ bằng 20mV

 Combined Error : Sai số đặc tuyến tuyến tính Ta có điện áp đầu ra theo lý thuyết sẽ tuyến tính với tải trọng đầu vào Sai số thực tế này càng nhỏ thì mức tuyến tính càng cao Ta vận dụng tính chất tuyến tính này để tính toán tải trọng theo điện áp đầu ra C4 ứng với sai số phi tuyến C5 ứng với sai số tổng hợp của cả nhiệt độ

 Temperature Effect on : Sai số hiệu ứng nhiệt độ Càng thấp thì càng tốt

 Temperature Range : Dải nhiệt độ hoạt động -40 – 80 độ C Khá thích hợp với công việc cân ô tô

 Load Limit safe : 200 Tải trọng 200% là quá tải cho phép trong mức an toàn Cụ thể

là 30 tấn

 Load Limit Ultimate : 300 Tải trọng 300% sẽ phá hỏng loadcell Cụ thể 45 tấn

 Safe Dynamic Load : 70 Mức tải cho hoạt động tốt nhất 70% Tức là khoảng 10.5 tấn

 Cấp bảo vệ : IP68 : Chống bụi , Chống nước

 Breakdown Voltage : 500VAC Điện áp phá hỏng

 Terminal Resistance Ouput : 1000 ôm Điện trở giữa 2 chân đầu ra

2 Ghép nối tạo thành hệ thống Loadcell

Các loadcell sẽ được ghép nối song song với nhau Tín hiệu ra tổng hợp sẽ là giá trị trung bình của 4 điện áp đo được Vì vậy để chính xác , 4 loadcell cần được sắp xếp cơ học trên bàn cân hợp lý, sao cho lực phân bố trên 4 loadcell là gần tương đương nhau

Để ghép nối , ta dùng hộp nối dây : Junction Boxes Trong Junction Boxes có các biến trở

hỗ trợ ta hiệu chỉnh điện áp sao cho cân bằng trên các loadcell khi không áp dụng được

phương pháp cơ học Công việc này gọi là chỉnh góc cho Junction Boxes

Vẫn chọn của hãng Metler Toledo Model AJB-015: Compact 5 Hole, stainless steel, 4

load cells

Datasheet

Parameter unit of

measure Specification

Boxes Model No: AJB-015 TB100458 TB100481 TB100743-7P Order No: (CIMF No.) 71208942 61005972 61005973 61039987

No of load cells 4 2-4 2-4 5-6

Expension possible, max no of load cells for

1st box no yes, 3 yes, 4 yes, 5

Corner adjustment 4x Trim Pots 4x Trim Pots 4x Trim Pots 6x Trim Pots

3x Trim Pots for pairs Call Free Suitable no no no

yes (all 9 jumpers out) Min Indicator Input

Impedance

M n/a n/a n/a 40 Cable Diameter

range

Load Cell mm (in) 4-8

(0.16-0.32)

1) 4.8-6.4

(0.19-0.25) 4.8-6.4 (0.19-0.25) Home Run mm (in) 6-12

(0.24-0.48)

1) 4.8-9.5

(0.19-0.48) 6.4-9.5 (0.24-0.48) Wire gauge Load Cell mm2 (AWG) 3 (12)

Home Run mm2 (AWG) 3 (12) Number of

conductors

wire 4 or 6 wire

Auxiliary 2) n/a 4 or 6

wire Earthing via mounting bolt separate bolt via mounting bolt separate bolt

sticker Temperature Range Operating –20 ~ +65 (–4 ~ +150)

Safe Storage –40 ~ +80 (–40 ~

+176) ATEX Approval 3)

Entity Parameters n/a Excitation Voltage Recommended V AC/DC 10

Insulation Resistance @50VDC M > 5000

Breakdown Voltage V AC > 500

Material Housing stainless steel

Cable entry fitting plastic zinc plated steel plasti

c Protection Type rubber gasket

Weight kg (lb) 1.1 (2.2) 3.8 (8.4) 1.7 (3.8) 1.9 (4.2)

1) Limited by conduit size

2) Cable between J-Boxes

3) See certificate for complete information

Thông số cần chú ý :

 No of loadcells : 4

 No of cable entries : 5 (1 cho đầu ra và 4 cho loadcell)

 Temperature Range : -40 – 80

 Excitation Voltage : Recommend 10V Ta chọn 10V cho cả loadcell và Junction Boxes

 Protection : IP65

Sơ đồ đấu nối dây như dưới đây :

Tất cả đầu nối của 4 loadcell được nối với Junction Boxes và song song với nhau

Các dây Excitiation của Loadcell và Junction Boxes sử dụng chung 1 điện áp bằng 10V Dây Sense+ và Sense- lần lượt chập với dây Excitaition + và – trên Loadcell

3 Thiết lập công thức tính điện áp ra :

Ta có với mỗi loadcell : 15 tấn -> 20mV;

Gọi trọng tải xe cần đo là M (kg)

Trọng tải đặt lên mỗi loadcell là M/4(kg)

Điện áp đo được trên mỗi loadcell bằng điện áp trung bình đầu ra Junction Boxes là

M/4/15000 *20mV = M/3000 (mV);

Tín hiệu này quá nhỏ để có thể đưa vào mạch hiển thị Ta cần khuếch đại tín hiệu lên

Ta chọn hệ số khuếch đại sao cho cứ 10kg , đầu ra là 1mV

Như vậy với tải trọng khoảng 40 tấn Áp đầu ra là 4000mV = 4V là tương đối hợp lý

Vậy hệ số khuếch đại cần là G = 300

a Sử dụng IC INA 125 để khuếch đại tín hiệu ra từ mạch cầu

Hệ số khuếch đại được tính theo datasheet như công thức 1

Với G = 300 Tính được RG = 203 Ôm

Tín hiệu Vout thu được bằng M/10 (mV)

Để hiển thị được Ta cần biến đổi tín hiệu tương tự sang số Trong trường hợp này , cần có bộ ADC có độ phân giải 16 bit là hợp lý

b Chọn ADC AD7708 16 bit

Công thức cơ bản của ADC ( ) 16

REF

M mV Value

Ta cần giá trị đọc được đúng bằng M Vậy V REF 6553.5mV

Việc tính toán VREF rất quan trọng , và đặc biệt là tạo ta Vref ổn định, ít nhiễu, ít bị ảnh hưởng bởi tải mạch ngoài Công việc này tương đối khó

AD7708 có hỗ trợ chuẩn giao tiếp SPI Ta sử dụng chuẩn này để giao tiếp với bất kì vi

điều khiển có hỗ trợ chuẩn này Từ AVR, PIC, STM… Sau đó đưa ra hiển thị với LCD hoặc LED