bai tap lon do luong và cảm biến

Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống tự động cân tải trọng xe ô tô sử dụng bộ điều khiển khả trình cũng là một hướng để giải quyết vấn đề tự động hoá trong thực tế.. Hệ thống cân sử dụng cảm

LỜI NÓI ĐẦU

Cân ô tô hiện nay trở thành một vấn đề cấp thiết , được trang bị cho các nhàmáy chế biến dùng cân hàng hóa quản lí xuất nhập khẩu, nguyên vật liệu

Việc cân những khối lượng lớn, đảm bảo thời gian nhanh là một nhu cầu cần thiết cho các bến cảng, nhà máy sản xuất, các đơn vị vận chuyển, các đơn vị kiểm tra quá tải… Muốn biết khối lượng hàng hoá thông thường thực hiện phép tính tương đối thông qua việc cân toàn bộ tải trọng xe

Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống tự động cân tải trọng xe ô tô sử dụng bộ điều khiển khả trình cũng là một hướng để giải quyết vấn đề tự động hoá trong thực tế

Trên cơ sở đó, chúng em phân tích và xây dựng hệ thống cân kiểm tra tải trọng tải của ô tô Bài làm gồm 3 phần chính:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống cân tải trọng và nhiệm vụ của đềtài

 Chương 2: Xây dựng hệ thống cân tải trọng ô tô và tính chọn thiết bịtheo yêu cầu của bài tập

 Chương 3: Kết quả (là những gì đã làm được, chưa làm được, lí do)

Vì kinh nghiệm cũng như kiến thức của bản thân còn hạn hẹp, nên trong quá trình làm bài còn chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rấtmong nhận được sự đóng góp ý kiến từ phía thầy cô Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống cân tải trọng 1

.1 Hệ thống cân sử dụng cảm biến lực (LOADCELL) 1

.2 Khâu cảm biến trong hệ thống 2

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lí của Loadcell 2

1.2.2 Một số loadcell trong thực tế và thông số kĩ thuật 5

1.2.3 Bàn cân 6

1.2.4 Cách bố trí Loadcell 8

1.2.5 Hộp cộng tín hiệu (Junction box) 9

.3 Khâu hiển thị trong hệ thống 10

.4 Khâu xử lí số liệu 12

.5 Khâu khuếch đại tín hiệu 12

.5.1 Bộ khuếch đại đảo 12

.5.2 Bộ khuếch đại không đảo 12

.5.3 Mạch khuếch đại dùng cho tín hiệu vi sai 13

.6 Kết luận 14

Chương 2: Xây dựng hệ thống cân tải trọng ô tô và tính chọn thiết bị theo yêu cầu của bài tập 15

2.1 Mô hình hệ thống 15

2.2 Các thiết bị cơ bản trong hệ thống 16

2.3 Lựa chọn thông số thiết bị trong hệ thống 17

2.3.1 Lựa chọn kiểu hầm móng 17

2.3.2 Lựa chọn kích thước bàn cân 17

2.3.3 Lựa chọn cảm biến lực Loadcell 18

2.3.4 Lựa chọn màn hình hiển thị lớn (LED) 19

2.3.5 Lựa chọn hộp cộng tín hiệu (Junction box) 19

2.3.7 Lựa chọn cảm biến vị trí 202.3.8 Lựa chọn các thiết bị camera, máy vi tính máy in 21Chương 3: KẾT LUẬN 22

Ch ương 1: Tổng quan về hệ thống cân tải trọng ng 1: T ng quan v h th ng cân t i tr ng ổng quan về hệ thống cân tải trọng ề hệ thống cân tải trọng ệ thống cân tải trọng ống cân tải trọng ải trọng ọng

Nhiệm vụ của đề tài Nhiệm vụ:Trong phần này chúng em tìm hiểu tổng quan về hệ thống, tìm

hiểu sơ lược về từng khâu trong hệ thống

1 Hệ thống cân sử dụng cảm biến lực (LOADCELL)

Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử như sau:

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống cân điện tử

Nguyên lí hoạt động:

Dưới tác dụng của khối lượng đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển thành tín hiệu điện ở ngõ ra Tín hiệu điện rất nhỏ này được khuếch đại lên nhiều lần trước khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D để chuyển thành tín hiệu số và được đưa

về bộ xử lý để xử lý theo chương trình có sẵn và hiển thị hoặc có thêm việc in

ấn

Tất cả các khâu đều có nguồn cung cấp, và bộ xử lí phải có thêm bộ nhớ

Do tính linh hoạt của bộ xử lý, tùy theo mục đích cụ thể mà chương trình viết cho bộ xử lý khác nhau Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực có liên quan đến việc đo khối lượng

2 Khâu cảm biến trong hệ thống

 Đối tượng sử dụng trong khâu: 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

 Chức năng của khâu cảm biến: đưa ra tín hiệu điện tỉ lệ với lực tác động

lên cảm biến

1.2.1 C u t o và nguyên lí c a Loadcell ấu tạo và nguyên lí của Loadcell ạo và nguyên lí của Loadcell ủa Loadcell

1.2.1.1 C u t o ấu tạo ạo

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi tương ứngtrong điện trở Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dịch chuyển: loại liên kết và loại không liên kết

Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định trên bề mặt của bộ phận 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 trở tương ứng

Hình 1.2: Tấm điện trở (Strain Gauge) mỏng loại dán của cảm biến

Đòn cân được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain Gauge”

và thành phần còn lại là “Load” Strain Gauge là một điện trở đặc biệt có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên Load, nghĩa là một thanh kim loại chịu tải

Hình 1.3a: Thanh Kim loại chịu tải (Load) được dán 4 điện trở dán.

Thanh kim loại này một đầu được gắn cố định, đầu còn lại tự do và gắn vớimặt bàn cân (Đĩa cân) Khi ta bỏ một khối lượng lên đĩa , thanh kim loại này sẽ

bị uốn cong do trọng lượng của khối lượng cân gây ra Khi thanh kim loại bị uốn, điện trở Strain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở Như vậy, khi đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lượng vật mà Load, thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương ứng và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của Strain Gauge Thông thường, thanh kim loại sẽ được cấu tạo sao cho bất chấp vị trí ta đặt vật cân lên bàn/ đĩa, nó đều cho cùng một mức độ bị uốn như nhau

Hình 1.3b: Hình dạng một số loại loadcell có tải trọng lớn

1.2.1.2 Nguyên lí làm vi c c a c m bi n l c (loadcell) ệc của cảm biến lực (loadcell) ủa cảm biến lực (loadcell) ảm biến lực (loadcell) ến lực (loadcell) ực (loadcell)

Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone ( cầu cân bằng) như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân load cell

Hình 1.4: Nguyên lí hoạt động cảm biến loadcell sử dụng cầu cân bằng

Nguyên lý hoạt động loadcellKhi trụ thép chịu lực tác dụng (lúc này là trọng tải xe) sẽ bị biến dạng theo

2 trục khác nhau làm cho các áp trợ gắn trên 2 trục cũng biến dạng theo Điện trở áp của 1 áp trở tăng lên đồng thời áp trở kia sẽ hạ xuống cùng đại lượng∆ R

Lúc đó điện áp ra Ur tính theo công thức:

U ra =e.∆ R.R

Trong đó:

R: là điện trở ban đầu của các áp trở

∆ R: là độ biến thiên điện trở áp trở khi có biến dạng

Điện áp Ura tỉ lệ với lực tác động (trọng lượng của xe trong cân ô tô)

Sự thay đổi điện áp ra này chính là tín hiệu của Loadcell mà ta cần Tín hiệu này sẽ truyền đến hộp nối dây (junction box) Đây là tín hiệu tương tự Analog

Công nghệ giới thiệu trên là công nghệ analog Ngoài ra hiện nay, ngoài công nghệ analog, trong các hệ thống cân ô tô còn sử dụng công nghệ Digital – Công nghệ số

Hình 2.1 : Loadcell digital

Loadcell Digital có bộ vi xử lý riêng với công nghệ kỹ thuật số, tín hiệu xuất ra là tín hiệu số Ngoài ra Loadcell digital có bộ chống sét riêng nên hoạt động tốt hơn trong những ngày mưa bão

1.2.2 Một số loadcell trong thực tế và thông số kĩ thuật

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques.Inc,

TedeaHuntleigh 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 màu sắc khác nhau Có thể kể ra như sau:

Hình 1.5 sơ đồ chân tín hiệu từ loadcell

Một số màu thông dụng của đầu dây tín hiệu của loadcell:

Exc+ và Exc- là dây điện áp ra khi thay đổi

Sig+ và Sig- là dây cấp nguồn vào cho các loadcell

Hình 1.6 Các loại loadcell trong thực tế

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell 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 loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ

chịu được quá tải Ví dụ: Với giá trị điện áp ra danh định là 2 miliVolt / Volt

thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tối đa

1.2.3 Bàn cân

Là một bộ phận thường làm bằng sắt hay những loại chịu lực tốt, còn gọi

là bàn cân

Nhiệm vụ: cho xe đi lên bàn cân khi đó bàn cân sẽ gắn các cảm biến lực để

đo trọng lượng xe

Bên dưới bàn cân này được bố trí thường là 4 loadcell Số lượng loadcell

bố trí này tuỳ thuộc vào tải trọng xe, chiều dài xe, có thể là 6, 8 loadcell Một đầu của loadcell được gắn chặt vào phần đế cố định dưới đất, đầu còn lại của loadcell được gắn vào bàn cân

Loadcell sử dụng ở đây là loại chịu lực nén Khi xe tải chạy lên bàn cân, dưới tác dụng của trọng lực xe, mỗi loadcell bị nén và sinh ra một điện áp sai lệch, điện áp này được dẫn về hộp nối để cộng các tín hiệu từ các loadcell này lại trước khi đưa về đầu cân xử lý Ngoài ra còn có hai bệ để xe chạy lên và chạyxuống, phần này không dính đến bàn cân

Tùy theo yêu cầu và vị trí cụ thể mà có các dạng cầu cân như sau:

Hình 1.7 Bàn cân được bố trí nằm ngang mặt đất ( Cân chìm )

Hình 1.8 Bàn cân được bố trí nằm nổi lên mặt đất ( Cân nổi )

Tùy thuộc vào mặt bằng bố trí cân, môi trường và mục đích sử dụng cân nên phân ra nhiều hệ thống cân ô tô

- Chiếm ít diện tích

- Chịu ảnh hưởng của môi trường ít hơn cân nổi

- Thoát nước kém dễ bịngập cân

- Thẩm mỹ tốt hài hòa với môi trường xung quanh

- Chi phí móng cao

- Khó vệ sinh lắp đặt hiệu chỉnh sửa chữa

- Chiếm diện tích trung bình

- Chịu ảnh hưởng củamôi trường ít hơn cân nổi

- Thoát nước kém dễ

bị ngập cân

- Thẩm mỹ hơn cân nổi

- Chi phí móng cao

1.2.4 Cách b trí Loadcell ống cân tải trọng

Trong hệ thống cân xe, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải trọng chịu đựng, chiều dài xe Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell Loadcell có thể được lắp như hình sau:

Ví dụ: bàn cân sử dụng 6 loadcell

Hình 1.9 Bàn cân sử dụng 6 loadcell

Hình 1.10: Cách bố trí loadcell 1.2.5 H p c ng tín hi u ( ộp cộng tín hiệu ( ộp cộng tín hiệu ( ệ thống cân tải trọng Junction box)

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 hải 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

áp đối 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:

Tín hiệu của hộp cộng tín hiệu của các loadcell sẽ được chuyển đến đầu cân

3 Khâu hiển thị trong hệ thống

3.1 Thiết bị chỉ thị khối lượng (Weighing Indicator)

Chức năng: các chức năng cơ bản của một đầu cân là lấy tín hiệu điện áp

từ

Loadcell thông qua hộp cộng tín hiệu và thực hiện việc chuyển đổi A/D thông qua bộ A/D ( Analog/Digital) sau đó xử lý tín hiệu số và hiển thị khối lượng cânđược ra đèn Led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in

Để thực hiện các chức năng như trên với độ chính xác cao, đầu cân phải

có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp cho loadcell và A/D

Hình 1.12: Bộ hiển thị led 7 đoạn

Hình 1.13 Đầu Cân AD_4323 3.2 Quản lí trạm cân bằng máy tính

Mặc dù một số đầu cân có chức năng in ấn, nhưng để in những bảng báo cáo như phiếu xuất kho, tính giá tiền cho khối lượng hàng cân được một cách tự động, cũng như chức năng lưu trữ dữ liệu thành file … thì trang bị một máy tínhcho trạm cân là một yêu cầu cần thiết

Số liệu cân được từ đầu cân được truyền về máy tính thường là mã ASCII theo chuẩn RS232 hoặc RS485 Chương trình viết cho máy tính thường để hiện giá trị này ra màn hình Tùy theo yêu cầu cụ thể của nhà máy hoặc trạm cân mà chương trình được viết cho in ra những bảng báo cáo khác nhau theo mẫu được quy định sẵn của nhà máy Các bảng báo cáo này có thể được lưu lại thành file trong máy tính để khi cần thiết có thể gọi ra được

Ngoài ra chương trình máy tính có thể cho biết được số xe đã được cân trong ngày cùng với tên khách hàng hoặc biển số xe cũng như tổng lượng hàng

đã xuất hay nhập trong ngày, tháng, năm… thậm chí có thể phát hiện xe nào chở hàng quá tải Hơn thế nữa những dữ liệu này có thể truyền về trung tâm xử

lý nếu máy tính đó được nối mạng Tất cả các công việc này tùy theo yêu cầu của trạm cân mà viết chương trình cho máy tính phù hợp

Hình 1.14: Máy tính quản lí trạm cân

4 Khâu xử lí số liệu

Tùy theo yêu cầu và mục đích ứng dụng, khối xử lý được dùng là vi xử lý, máy tính hay PLC … Nếu bộ xử lý sử dụng vi xử lý thì có thể có thêm khối truyền dữ liệu về máy tính, có thể có khối in ấn hoặc không tùy mục đích sử dụng Nếu sử dụng PLC có thể dùng phần mềm dao diện SCADA

5 Khâu khuếch đại tín hiệu

Do tín hiệu ở đầu ra của bộ Loadcell rất nhỏ, thường từ (2-3) mV nên để bộ

xử lý có thể nhận được tín hiệu theo chuẩn cần phải có mạch khuếch đại điện

áp Sau đây là một số mạch khuếch đại thường dùng

5.1 Bộ khuếch đại đảo

Ta thấy tín hiệu điện áp UI từ hộp cộng tín hiệu của các loadcell được đưađến cửa vào đảo của mạch khuếch đại đảo dùng để khuếch đại tín hiệu của các loadcell lên nhiều lần

5.2 Bộ khuếch đại không đảo

Tương tự bộ kđ đảo, nhưng tín hiệu từ bộ cộng tín hiệu được đưa vào cửa không đảo của kđtt

Vì hệ số khuếch đại của hai mạch khuếch đại trên chỉ phụ thuộc vào giá trị các phần tử mạch ngoài nên ta chọn các thông số của điện trở để có hệ sô khuếch đại mong muốn.

5.3 Mạch khuếch đại dùng cho tín hiệu vi sai

Trong các ứng dụng đo lường, ta cần phải đo điện áp vi sai rất nhỏ như trường hợp đo điện áp của loadcell này là một ví dụ, tín hiệu này không phải là

so sánh với mass Để đo tín hiệu loại này cần có mạch đo như sau:

Hình 1.15: Mạch khuếch đại vi sai

Ta có hệ số khuếch đại:

Hệ số khuếch đại có thể thay đổi bằng cách dùng biến trở R1 thay cho điện trở

cố định R1

6 Kết luận

Trong chương này chúng em đã nêu ra tổng quan về hệ thống cân tải trọng

ô tô, gồm sơ đồ khối, nguyên lí, chi tiết các khâu trong trạm cân Làm nền tảng

cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị và tính toán cho trạm cân ở phần tiếp theo

Ch ương 1: Tổng quan về hệ thống cân tải trọng ng 2: Xây d ng h th ng cân t i tr ng ô tô và tính ch n thi t b ựng hệ thống cân tải trọng ô tô và tính chọn thiết bị ệ thống cân tải trọng ống cân tải trọng ải trọng ọng ọng ết bị ị

theo yêu c u c a bài t p ầu của bài tập ủa Loadcell ập.

Yêu cầu đề tài: Xây dựng hệ thống cân tải trọng ô tô với:

 Dải cân: 50-150 tấn

 Bàn cân: Kim loại

 Sai số phép đo: 0,1 %

2.1 Mô hình h th ng ệ thống cân tải trọng ống cân tải trọng

Hình 2.1: Xây dựng mô hình hệ thống cân.

Hình 2.2: Sơ đồ đấu nối của hệ thống.

2.2 Các thi t b c b n trong h th ng ết bị ị ơng 1: Tổng quan về hệ thống cân tải trọng ải trọng ệ thống cân tải trọng ống cân tải trọng

- Tích hợp camera gồm 3 camera tự động: 1 toàn cảnh, 1 biển số trước, 1 biển sốsau

- Có 1 cảm biến vị trí xác định vị trí xe hợp lệ trên bàn cân.

- Có chức năng ổn định trọng lượng khi cân

- Ở đầu cân có tính năng chống reset zero trên đồng hồ cân

-Sừ dụng 1 máy tính quản lí trạm cân Giám sát từ xa bằng camera toàn cảnh, lưu lại các thông tin quan trọng

- 1 bảng LED hiển thị số cân

- 1 máy in dùng để in phiếu cân

- 1 bàn cân bằng Kim loại

- 1 hộp cộng tín hiệu (Junction box)

6

Hộp cộng tín hiệu

(Junction box).

Do sử dụng 6 loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín hiệu ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý

1

Bàn cân kim loại Dùng để cho xe ô tô đi

lên để các cảm biến có thể đo được trọng lượng

1

Loadcell thông qua hộp cộng tín hiệu và thực hiện việc chuyển đổi A/

D thông qua bộ A/D sau

đó xử lý tín hiệu số và hiển thị khối lượng cân

1