Tài liệu Load cell dde series

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn : nhom thực hiện : Lớp : K55M Hà nội,ngay tháng năm 2013 A. TÌM HIỂU CHUNG VỀ LOAD CELL 1. Khái niệm Load cell Các loadcell là những cảm biến lực (khối lượng, mô-men xoắn, ...). Khi lực được tác dụng lên một loadcell, loadcell sẽ chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện. Các loadcell cũng được biết đến như là "đầu dò tải" (load transducer) bởi vì nó cũng có thể chuyển đổi một tải trọng (lực tác dụng) thành tín hiệu điện. Trong từ điển, một loadcell được định nghĩa như là một "thiết bị đo lường trọng lượng cần thiết để cân điện tử hiển thị trọng lượng thành con số". Tín hiệu điện tử ngõ ra của loadcell có thể là một sự thay đổi điện áp, thay đổi tín hiệu dòng, tín hiệu số hoặc thay đổi tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch sử dụng, phổ biến nhất là loadcell thay đổi điện áp. Các loadcell có thể sử dụng điện trở (strain gauge), điện dung, kỹ thuật bù lực điện từ. Phổ biến nhất là các loadcell có sẵn dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở để đáp ứng với một tải áp dụng. Vì thế ở đây, ta sẽ nói về loadcell sử dụng điện trở (strain gauge) 2. Cấu tạo loadcell Một loadcell thường bao gồm các strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế có hình dạng đặc biệt khác nhau và chế tạo bằng vật liệu kim loại khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim). Strain gauge Strain gauge là thành phần cấu tạo chính của loadcell, nó bao gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi. Để tăng chiều dài của dây điện trở strain gauge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi bị lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain gauge. R= Điện trở strain gauge (Ohm) L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m) A = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2) r= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống. Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động. Hầu hết các nhà sản xuất strain gauge cung cấp nhiều loại strain gauge khác nhau để phù hợp với các sản phẩm loadcell khác nhau, các ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp dự án khác nhau. Họ cũng cung cấp tất cả các phụ kiện cần thiết bao gồm công cụ chuẩn bị, vật liệu, chất kết dính liên kết, cáp, ... Công việc gắn kết các strain gauge đòi hỏi kỹ năng, sự tỉ mỉ, cẩn thận và các khóa đào tạo kỹ năng này được cung cấp bởi một số nhà cung cấp nhất định. Hình 1: Một số loại load cell thông dụng 3. Nguyên lý hoạt động 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. 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. 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. 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). 4. 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 load cell có thể đo được. - Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra load cell 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 load cell (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 load cell 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 load cell và thiết bị kết nối dòng điện. - Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà load cell 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 load cell 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 load cell tăng thêm 0.01%). - Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải. 5. Phân loại Tuy nhiên, điều quan trọng là sử dụng các loadcell với mức cân và kết cấu phù hợp với vị trí mà nó sẽ được lắp đặt. Ví dụ 1) Các loadcell điểm đơn (single point loadcell) thường được sử dụng cho cân thông thường (vừa và nhỏ). Điểm đặt tải của các loadcellđiểm đơn (single point loadcell) được đặt ở tâm của mặt bàn cân. Ví dụ 2) Đối với các hệ thống cân công nghiệp như hệ thống cân bồn, hệ thống cân phễu, loadcell trụ đứng, module loadcell thường được sử dụng. Một loadcell hoặc nhiều loadcell có thể được sử dụng, nhưng nếu sử dụng nhiều loadcell, tải trọng được phân bố vào từng loadcell đều hơn nên độ chính xác sẽ cao hơn. Ví dụ 3) Loadcell chữ “S” thường được sử dụng cho các máy đo lực. 6. Ứng dụng của load cell.  Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của load cell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay. Cân kĩ thuật Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải. Cân xe tải  Một số ứng dụng khác: - Trong ngành công nghệ cao: Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại load cell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Như hình minh hoạ, loại load cel này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên. - 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 sản phẩm. 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 bì một cách chính xác. Hệ 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, load cell sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc.  Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa.  Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối 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. Load cell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu 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 cần thiết để sửa chữa kịp thời. 7. Các loại Load cell cơ bản 7.1. Load cell tương tự a)Khái niệm Load cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là load cell tương tự. Tínhiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị. Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợpđược tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell. Các thiết bị đolường 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 định vàđưa kết quả đọc được lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc 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, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứngdụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình 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 nhiễu trong công nghiệp như: Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn… Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn. Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cell 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 công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song nhiều load cell với nhau, mỗi load cell tải với một đầu ra độc lập với các load cell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng load cell riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân xilô… Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều load cell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra trung bình của từng load cell. Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có load cell bị lỗi mà không được nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó 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 đang hoạt 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 liên quan.  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 mô hình hóa trong quá trình phân tích và thiết kế. Trong khi đó điều kiện làm việc ởmỗi nơi rất khác nhau, thiết bị đo ở cách xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu, dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp. Tín hiệu đưa về đến 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 độ thấp,năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộhiển thị sử dụng với nhiều loại load cell khác nhau nên các thuật toán chỉnhđịnh 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 điện từtrường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém. Một yếu điểm nữa làtần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tácdụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân bằng liên tục,… 7.2. Load cell 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. - 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 20 bit 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 thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin. Cấu trúc cơ bản một loại load cell số b) Hoạt động: Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số. Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn 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 trong phần 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 phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý. Dữ liệu 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 có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính load cell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai số được thực hiện khá triệt để. Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính, PLC hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi load cell độclập có thể được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đócó thể được cài đặt do người lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy. Thông thường địa chỉ “0” được sử dụng như là một địa chỉ 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 kiểuMaster/Slave, ở đó định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) làmaster trên mạng. Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả cácquá trình truyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự,hoặc master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự. Chế độthứ nhất có ưu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ haihướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩnRS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhaucung cấp một môi trường multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nốitrên mạng dựa trên giao thức quy định bởi nhà sản xuất.Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống load cell tương tự và sốlà mặc dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập. c) Ưu điểm và nhược điểm  Ưu điểm: - Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thayđổi 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.