Tài liệu Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS

Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. 5 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC.......................................................6 1.1. Khái niệm chung....................................................................................................6 1.2. Các phương pháp đo lực........................................................................................6 1.2.1. Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng.................................................................6 1.2.2. Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển.............................................14 1.3. Một số phần tử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế............17 1.3.1. Một số loadcell thông dụng..........................................................................17 1.3.2. Thông số kỹ thuật cơ bản..................................................................................18 1.3.3. Ứng dụng của loadcell..................................................................................19 Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.........................................................................21 2.1. Yêu cầu, nội dung................................................................................................21 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo..................................................................................21 2.2. Lựa chọn thiết bị..................................................................................................23 2.2.1. Vi xử lý trung tâm.........................................................................................23 2.2.2. Cảm biến Siwarex R.....................................................................................26 2.2.2.1. Giới thiệu chung........................................................................................26 2.2.2.2. Một số họ của Siwarex R Loadcell...........................................................26 2.2.3. Sử dụng ADC nội của Atmega16.................................................................28 2.3.1. Khối nguồn...................................................................................................31 2.3.2. Khối khuếch đại (sử dụng INA125).............................................................33 2.3.3. Khối hiển thị LCD........................................................................................34 2.3.4. Khối giao tiếp máy tính................................................................................35 2.3.6. Bàn phím.......................................................................................................38 2.3.6. Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in...............................................................39 2.4. Thiết kế phần mềm..............................................................................................40 Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 1 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS 2.4.1. Lập trình cho vi điều khiển AVR..................................................................40 2.4.1.1. Lưu đồ thuật toán.......................................................................................40 2.4.1.2. Giới thiệu phần mềm và ngôn ngữ lập trình Codevision..........................41 2.4.2. Lập trình giao diện trên máy tính.................................................................42 Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ........................49 3.1. Kết quả thực nghiệm:...........................................................................................49 3.2. Đánh giá sai số.....................................................................................................50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................53 Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 2 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>105N)......................................7 Hình 1.2. Ví dụ loadcell xuyến (cảm biến đo lực nhỏ) ( <103N )....................................7 Hình 1.3. Một số loại tenzo..............................................................................................8 Hình 1.4. Thân cảm biến.................................................................................................12 Hình 1.5a. Cảm biến tự do trọng lượng..........................................................................14 Hình 1.5b. Cảm ứng áp từ thay đổi đường dạng thể dưới tác dụng của biến dạng lực chính xác.........................................................................................................................14 Hình1.6. Lực kế bằng dẫn kéo........................................................................................15 Hình 1.7. Lực kế bằng dẫn nén.......................................................................................15 Hình1.8. Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở.................................15 Hình1.9. Sơ đồ hỗ cảm vi sai..........................................................................................16 Hình1.10a. Một số loại loadcell thông dụng..................................................................17 Hình1.10b. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli....................................................18 Hình1.10c. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo ..................................18 Hình 1.11. Cân kĩ thuật...................................................................................................19 Hình 1.12. Cân xe tải......................................................................................................20 Hình 1.13. Ứng dụng của loadcell trong cầu đường......................................................20 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc Atmega16................................................................................23 Hình 2.2. Sơ đồ chân Atmega 16....................................................................................25 Hình 2.3. Một số dạng đầu đo của Siwarex R Loadcell.................................................26 Hình 2.4. Sơ đồ khối của ADC.......................................................................................29 Hình 2.5. Giản đồ thời gian chuyển đổi của ADC.........................................................30 Hình 2.6. Sai số offset.....................................................................................................30 Hình 2.7. Sai số khuếch đại............................................................................................31 Hình 2.8a. Sơ đồ khối tạo nguồn +5V............................................................................32 Hình 2.8b. Sơ đồ khối tạo nguồn -9V.............................................................................32 Hình 2.9. Sơ đồ khối khuếch đại....................................................................................33 Hình 2.10. Ví dụ LCD.....................................................................................................34 Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 3 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Hình 2.11. Sơ đồ khối Max485.......................................................................................36 Hình 2.12. Sơ đồ khối bộ USART..................................................................................38 Hình 2.13. Sơ đồ bàn phím 4x4......................................................................................39 Hình 2.14. Sơ đồ mạch in...............................................................................................39 Hình 2.15. Giới thiệu phần mềm lập trình codevision...................................................42 Hình 2.16. Khởi tạo các Port vào ra, LCD, UART........................................................42 Hình 2.17. Đăng nhập hệ thống......................................................................................43 Hình 2.18. Giao diện chính.............................................................................................44 Hình 2.19. Form tìm kiếm..............................................................................................45 Hình 3.1. Mạch sau khi đã hoàn thiện............................................................................49 Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 4 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS LỜI NÓI ĐẦU Trong sản xuất, dù là công nghiệp hay nông nghiệp để xác định được khối lượng của một vật là vô cùng cần thiết. Từ xa xưa, ông cha ta đã biết so sánh khối lượng cần biết với một vật mẫu. Trước kia chúng ta có các hệ thống đo khối lượng dùng đối trọng hoặc lò xo bằng các kết cấu cơ khí, việc sử dụng các loại cân này rất cồng kềnh và độ chính xác không cao. Ngày nay, các quá trình hệ thống hiện đại đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao trong việc đo lường của thiết bị. Vấn đề công nghệ đo phù hợp, hiển thị chính xác các thông số đo lường hiện là vấn đề đang được rất nhiều các kỹ sư tích hợp đo lường và điều khiển quan tâm. Lý do trên, TS. Nguyễn Thị Lan Hương đã giao cho chúng em đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS”. Đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho mỗi sinh viên một lần nữa kiểm tra và đánh giá lại kiến thức mà mình đã học được sau những năm trên ghế nhà trường, trước khi bước vào làm việc ngoài xã hội. Trong quá trình thực tập và làm đồ án, chúng em đã được cô TS. Nguyễn Thị Lan Hương và KS. Nguyễn Hoài Nam hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Đồ án gồm các phần: Lời nói đầu Chương 1: Khái niệm chung về đo lực Chương 2: Thiết kế hệ thống Chương 3: Kết quả thực nghiệm và đánh giá sai số Kết luận và hướng phát triển Do sự eo hẹp về thời gian, do sự hiểu biết hạn chế của bản thân, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng bản đồ án này còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía các thày cô giáo, bạn bè và những người quan tâm đến đề tài này. Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 5 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC 1.1. Khái niệm chung Phạm vi đo lực rất rộng, từ những giá trị rất nhỏ đến những giá trị lớn. Từ phép đo tĩnh mà các lực tác động là những đại lượng không đổi đến những xung lực tác dụng với tốc độ rất cao như sự va chạm sóng xung kích thực tế cho thấy có lực phải đo có trị số từ 106 ÷108 N, nhưng có khi cần đo lực rất nhỏ 10 -5 ÷10-12N, như vậy khoảng đo có thể từ 10-12 ÷ 108 N, tức là phạm vi đo D = 1020. Không có một thiết bị nào có thể đo được lực trong dải đo như vậy, ngay cả thiết bị đo hiện đại nhất, phạm vi đo cũng không vượt quá D=104. Người ta chia lực thành nhiều dải đo khác nhau, mỗi dải đo có thể sử dụng các phương pháp và các thiết bị khác nhau. Đặc biệt ở dải đo thấp 10 -5N trở xuống phải dùng các phương pháp đặc biệt để đảm bảo độ chính xác yêu cầu. Đo lực có thể dùng các loại chuyển đổi khác nhau với các phương pháp khác nhau, thông thường có hai phương pháp đo. Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có hai đại lượng vào tương ứng với các lực cần đo. Đại lượng ra được biến thành các tín hiệu điện các thông số điện. Mạch đo và chỉ thị cho kết quả đo không thông qua hệ dẫn truyền trung gian. Phương pháp đo gián tiếp, trong đó sử dụng các phần tử đàn hồi, các hệ dẫn truyền, biến lực thành di chuyển. Các chuyển đổi đo các lượng di chuyển từ đó suy ra đại lượng cần đo. Hai phương pháp trên được sử dụng rộng rãi, sử dụng phương pháp nào là tuỳ thuộc vào yêu cầu và nhiệm vụ thực hiện chúng. Mạch đo thường là mạch cầu, kết hợp với các tầng khuyếch đại và chỉnh lưu. Chỉ thị là các dụng cụ chỉ thị cơ điện, tự ghi, điện tử và các dụng cụ số. 1.2. Các phương pháp đo lực 1.2.1. Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng Trong loại lực kế này, lực tác dụng F gây ra ứng suất và biến dạng, sau đó biến dạng được biến thành điện áp hoặc tần số. Đây là loại cảm biến biến đổi thẳng, như vậy đòi hỏi các khâu liên đới phải có tính ổn định cao. Muốn vậy vật liệu làm phần tử đàn hồi phải thật ổn định, phải được nhiệt luyện để cho tính lặp lại thật ổn định, giảm đến tối thiểu đặc tính trễ của vật liệu với quá trình kéo nén và tăng nhiệt độ. Hình dạng cấu tạo của phần tử đàn hồi phụ thuộc vào lực cân đo: a) Đối với lực kế đo lực lớn, cấu tạo của lực kế như sau: Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 6 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS 1 2 325 140 Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>105N) 1: Phần tử đàn hồi 2: Cảm biến Phần tử đàn hồi có dạng hình trụ. Do đó biến dạng được tính: 1  F SE (1.1) Trong đó: S là tiết diện thanh đàn hồi E là module đàn hồi của lõi thép (với thép Crom: E = 180 ÷ 220 KN/mm 2 1 là biến dạng được chọn trong phạm vi đàn hồi Để có cài 2 nhánh hoạt động, phải dán lên phần tử đàn hồi 2 cảm biến đo biến dạng dọc theo chiều chịu lực của lực kế và 2 cảm biến vuông góc với góc bù nhiệt độ. b) Đối với lực nhỏ ta thường dùng phần tử đàn hồi kiểu hình xuyến ống 90 2 1 114 Hình 1.2. Ví dụ locell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) ( <103N ) Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 7 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS 1: Phần tử đàn hồi 1   E 2: Cảm biến (1.2) Với σ là ứng suất học xuất hiện trong phần tử biến dạng khi có lực nén. c) Cảm biến đo biến dạng thường dùng là điện trở lực căng (tenzo) Figure 01 Hình 1.3. Một số loại tenzo Phân loại tenzo Tenzo chia ra làm ba loại: - Tenzo dây mảnh: dây có đường kính 0,02  0,03 mm được chế tạo bằng các vật liệu : Nicrom, Constantan, hợp kim Platim-Iridi - Tenzo lá mỏng được chế tạo từ một lá kim loại mỏng có chiều dày 0,004  0,012mm nhờ phương pháp quang khắc - Tenzo màng mỏng được chế tạo bằng cách cho bốc hơi kim loại lên một khung với hình dáng định trước Khi đo biến dạng   L , tenzo được dán lên đối tượng đo, lúc đối tượng đo bị L biến dạng, tenzo biến dạng theo và điện trở của tenzo thay đổi một lượng R R R . l   Ta có: R  f  l    Hay  R  f ( 1 ) Mặt khác ta biết: R  p. l s Trong đó: s- tiết diện dây l- chiều dài dây p- điện trở suất của dây dẫn làm tenzo R  l s    R  l s  R     l  s Do đó: Hay: Trong đó:  R -Sự biến thiên tương đối của điện trở tenzo  l -Sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kích thước hình học của tenzo Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 8 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS p -Sự biến thiên tương đối của điện trở suất, đặc trưng cho sự thay đổi tính chất vật lý của tenzo. Trong cơ học ta biết:  s  2 K p . l (Kp – hệ số Poisson) Nếu đặt εP=mεl (m là hệ số tỷ lệ) ta có:  R   l (l  2 K p  m)  K 1 (1.3) Đây là phương trình biến đổi tổng quát của tenzo R Độ nhạy của tenzo: k   1  2 K P  m l Do ứng xuất có ở trong chi tiết cần nghiên cứu có liên quan với môđun đàn hồi E của vật liệu làm chi tiết, ta có phương trình quan hệ giữa  và E như sau:  l    l    E (1.4) Do đó phương trình biến đổi của tenzo có thể biểu diễn dưới dạng: R  R K  . R E (1.5) Ứng suất cơ của chi tiết và dây dẫn chế tạo chuyển đổi không được vượt quá giới hạn đàn hồi vì điều đó có thể dẫn đến sự thay đổi đặc tính của nó. Tính chất của tenzo Để các tenzo làm việc tốt trong thực tế, yêu cầu vật liệu chế tạo tenzo có độ nhạy. Mặt khác hệ số nhiệt độ của tenzo cần bé, vì trong kim loại, độ biến dạng tương đối  l trong giới hạn đàn hồi không lớn hơn 2,5.10 -3 do đó  r  1,25  10 . Tức là sự thay đổi điện trở tương đối không được qua 1% khi đối tượng đo chịu ứng suất lớn nhất. Trong khi đó sự đốt nóng điện trở có thể là điện trở của tenzo thay đổi một lượng cũng gần bằng lượng điện trở do biến dạng. Vì vậy hệ số nhiệt độ của dây dẫn điện trở càng nhỏ thì càng tốt, cần phải bù nhiệt độ trong mạch đo. Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất lớn để kích thước của chuyển đổi nhỏ. Độ nhạy của các tenzo dây mảnh khác độ nhạy của vật liệu chế tạo ra vì trong quá trình chế tạo răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần đo làm độ nhạy giảm 25  30%. Muốn vậy phải tăng chiều dài tác dụng l o, mặt khác các phần uốn lại chịu lực tác dụng vuông góc với trục của tenzo gây sai số trong quá trình đo. Hệ số nhiệt độ của tenzo khác hệ số nhiệt độ của đối tượng đo, khi nhiệt độ thay đổi, gây biến dạng phụ trong quá trình đo. Các tenzo được dán lên đối tượng đo bằng các loại keo dán đặc biệt. Mạch đo Dùng mạch cầu đo với nguồn cung cấp là nguồn: 1 chiều, xoay chiều, hay phân áp. Mạch cầu đo có thể là mạch cầu 1 nhánh, 2 nhánh hay 4 nhánh hoạt động. Mạch cầu đo một nhánh hoạt động Tức là chỉ có một tenzo hoạt động. Mạch này có nguồn cung cấp là U o, điện áp ra UT : Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 9 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS RT - Điện trở tenzo  R - Độ biến thiên tương đối của điện trở tenzo khi bị biến dạng R1, R2, R3 -Điện trở mắc vào cầu đo k- Độ nhạy của vật liệu làm tenzo Ta có điện áp ra: (1   R )  RTO  R3  R2  R4 UT  U o  k   (1   R )  RTO  R4   ( R2  R3 ) (1.6) Ta chọn R2 =R3 =R4 = RTO = R với RTO - Điện trở tenzo khi chưa bị biến dạng. Điện trở tenzo RT biến thiên một lượng R và khi đó: RT  R  RTO UO R UT RT U UT  o  k  4 R R RRTO (1.7) Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động Là mạch cầu đo trong đó hai nhánh cầu đều được dán tenzo và cùng hoạt động. Mạch này có nguồn cung cấp là Uo, điện áp ra UT. Khi điện áp ra của mạch cầu đo tăng gấp hai lần: UO R RT UT RT R UO R  k 2 RTO (1.8) Với mạch cầu đo này bù nhiệt độ tốt hơn. Sai số do nhiệt độ bị loại trừ. Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động Cả bốn nhánh đều được dán tenzo, khi đó điện áp ra của mạch cầu đo là lớn nhất và tăng gấp 4 lần so với trường hợp một nhánh hoạt động. R UT  U 0  k  RTO (1.9) UT  Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tenzo: Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 10 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Sai số và phạm vi ứng dụng: Sai số của thiết bị đo dùng Tenzo chủ yếu do độ chính xác khắc độ của Tenzo. Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc mà chúng được chế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ. Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác. Sai số về điều này có thể đạt tới 1 – 5%. Khi chuẩn trực tiếp cảm biến với mạch đo sai số có thể giảm đến 0,2 – 0,5% khi đo biến dạng tĩnh và 1 – 1,5% khi đo biến dạng động. Ngoài ra còn có sai số biến dạng dư của keo dán khi sấy khô, do sự dãn nở khác nhau giữa cảm biến và chi tiết dán. Các cảm biến loại này dùng để đo lực, áp suất, momen quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1÷2)107 N/m2. Sai số vì dán: Cảm biến điện trở có thể được dán trực tiếp lên đối tượng cần đo hoặc lên phần tử biến dạng của cảm biến đo cần chế tạo. Kết quả của quá trình dán được gọi là hoàn hảo khi và chỉ khi cảm biến đo tiếp bám trung thành mọi biến dạng của đối tượng cần đo hoặc của phần tử biến dạng trong cảm biến đo. Ngược lại, nếu cảm biến đo không tiếp bám được biến dạng của vật thể cần đo thì khi ấy hiện tượng bò (trượt) xuất hiện và gây nên sai số đo. Bằng quy trình và công nghệ dán hợp lý có thể loại trừ được ảnh hưởng của sai số vì dán. Quy trình và công nghệ dán phụ thuộc vào kinh nghiệm và thực nghiệm của chuyên gia trong lĩnh vực này. Song điều cốt lõi là phải chọn keo, xử lý bề mặt hợp lý, đặt cảm biến chính xác và phải tuân thủ quy trình tẩm phủ, sấy khô...Khi chọn keo dán tem cần phải hết sức lưu ý các yêu cầu sau: - Mô đun đàn hồi của keo phải gần trùng với mô đun đàn hồi của vật liệu được dán cảm biến. - Sau khi dán, keo không thay đổi thể tích, không nứt rỗ, không bọt, không có bất kỳ phản ứng hoá học nào. - Liên kết tốt giữa cảm biến với phần tử biến dạng hoặc đối tượng cần đo. Sai số vì nhiệt: Độ nhạy cảm của tổ hợp phần tử biến dạng và cảm biến được tính bằng biểu thức: S = R.g/E. Trong khi ấy, phương trình biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở tem là: R = R..T; với  là hệ số nhiệt điện trở và T là số gia biến đổi nhiệt độ. Với tác động của đầu vào là biến đổi nhiệt độ và đầu ra là biến đổi điện trở thì độ nhạy của chuyển đổi này được tính theo định nghĩa là: ST  d  R   R d  T  (1.10) Như ví dụ ở mục trước đã xét, độ nhạy S của chuyển đổi tổ hợp cảm biến với phần tử biến dạng bằng thép có độ lớn với số mũ là 10 -4, điện trở bằng Konstantan có Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 11 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS hệ số  với số mũ là 10-5 /0C, để tiện so sánh hãy lấy điện trở gốc của cảm biến vẫn là 100 Ohm. Vậy độ nhạy của chuyển đổi do biến đổi nhiệt tác động S T sẽ có độ lớn với số mũ là 10-3. Điều đó nói lên rằng: Độ nhạy của cảm biến do tác động của gia số biến đổi nhiệt 1oC gây ra lớn gấp mười lần so vơí độ nhạy của cảm biến do tác động của ứng suất 1kG/cm2 gây ra trên tổ hợp cảm biến đo với phần tử biến dạng. b) Biến dạng có thể đo bằng cảm biến dây căng Cấu tạo của cảm biến dây căng: 6 11 5 10 1 40.0801 56.0625 2 9 8 7 3 274.0000 Hình 1.4. Thân cảm biến 2,3 - Đầu để hiệu chỉnh tần số ban đầu của dây căng; 4 - dây căng; 5,6,7- Vít để giữ đầu dây căng 8,9- Vít chỉnh lực dây căng fe  Trong đó: 1  e Es  2 J e (1.11) = biến dạng dải cần đo E là mô đun đàn hồi dây căng S = tiết diện dây căng J = mô men quán tính của dây căng Khi dao động từ trường, dây căng cảm ứng ra sức điện động, gây ra dao động điện áp ở đường chéo cầu, điện áp này được khuếch đại và cung cấp cho cầu do biến dạng. Đấy là một mạch phát có tần số f 1 phụ thuộc ɛ1 tức vào lực F tác dụng lên phần tử đàn hồi. Do ∆f1 = f1 – fo ta suy ra được F Với f1 = tần số khi có tác động của lực F ∆f1 = f(F) được xác định từ công thức thực nghiệm dung để khắc độ lực kế Quan hệ này không tuyến tính, t có thể bù đặc tính phi tuyến của lực kế bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. e) Lực kế áp điện và áp từ Gốm áp điện có thể coi là hộp cộng hưởng dung trong các mạch phát tần số, có độ ổn định cao. Tần số này thay đổi theo biến dạng hay theo lực tác động lên 2 mặt của điện cực. Ta có thể dung cảm biến này để đo lực (cụ thể là đo áp suất: F=PS). Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 12 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS P - áp suất ; S là diện tích bề mặt cảm biến áp điện. ∆f = f(F) Trong trường hợp này, ta phải loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đến tần số cộng hưởng của tần cảm biến và phải có mạch bù nhiệt độ. Ta cũng có thể đo áp suất qua hiệu ứng ngược áp điện: q = d1F Với: q = điện tích ở cực của cảm biến d1 = hằng số áp điện của cảm biến, theo chiều trục cơ F = lực tác động lên mặt của cảm biến Đối với phần tử áp từ cũng vậy. Dưới tác dụng của lực tác dụng, từ thẩm của vật liệu áp từ thay đổi làm thay đổi điện cảm hoặc hỗ cảm của cuộn dây. L  f (F ) L (1.12) Cảm biến áp từ dùng để đo trọng tải lớn. Biến thiên điên cảm hoặc hỗ cảm có thể dung trong sơ đồ cầu hay biến áp vi sai thành điện áp: p p p p Hình 1.5a. Cảm biến tự do trọng lượng P r ω2 #0 P=0 ω1 ω2 90 E2 = f(F) ω1 ω1 U = const ω2 Hình 1.5b. Cảm ứng áp từ thay đổi đường dạng thể dưới tác dụng của biến dạng lực chính xác Cảm biến có đường đặc tính trễ lớn nên tính ổn định thấp. Vật liệu Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Mô đun đàn hồi (Kg lực/mm2) Trang 13 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Germani (Ge) – Loại n 155 Germani – Loại p 155 Silic (S) – Loại n 130 Silic (S) – Loại p 190 Thép Crom 180 ÷ 220 Bảng 1: Mô đun đàn hồi của một số vật liệu. 1.2.2. Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển Một phần tử hay một dầm đàn hồi, lúc chịu tác dụng của một lực, sẽ có biến dạng và tạo ra di chuyển. Đây là một hình thức khác của sự biến dạng, nhưng có những thuận lợi hơn là có thể nghiên cứu các kết cấu gây ra biến dạng ổn định và có giá trị lớn hơn bản thân biến dạng, nâng cao khả năng phân ly của thiết bị. a) Kết cấu: Kết cấu đơn giản nhất của lực kế này là một thanh đàn hồi cố định một đầu, đầu kia cho tác dụng lực F. Để đảm bảo tính ổn định cao, ta có thể dung dần kép Hình1.6. Lực kế bằng dẫn kéo Với những lực lớn hơn, ta có thể dung cơ cảm hình xuyến: Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 14 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Hình 1.7. Lực kế bằng dẫn nén Cấu tạo của lực kế 2 dầm kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở: Hình1.8. Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở b) Đo di chuyển: Cơ cấu đàn hồi biến lực thành di chuyển bây giờ phải bố trí để đo di chuyển này, với độ chính xác cao. Cảm biến thường dung ở đây là cảm biến điện cảm, có độ nhạy cao, phân ly lớn, Cảm biến được gắn cuộn dây phần đỉnh lên điểm cố định ngoài dầm, lõi thép di chuyển được gắn vào dầm và có thể chuyển động trong cuộn dây phần tĩnh, F δ L1 L2 Hình1.9. Sơ đồ hỗ cảm vi sai Ta có: U  E1  E2 2 (1.13) U  ( M o  M ) I k  ( M o  M ) I k 2 (1.14) ∆V = ∆MωJk (1.15) Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 15 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Trong đó: ∆M = biến thiên hỗ cảm lúc lõi thép di chuyển. ω = tần số nguồn cimh cấp Ik = dòng kích từ sơ cấp ∆M = f(δ) Như vậy ∆U = g(δ) Quan hệ này không tuyến tính cho nên phải bố trí bù sai số phi tuyến. 1.3. Một số phần tử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế Bản chất phần tử cân định lượng là đo lực đã được trình bày ở chương trên. Chương này chỉ trình bày những phần tử thương phẩm và ứng dụng trong thực tế. 1.3.1. Một số loadcell thông dụng Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 16 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Hình 1.100a. Một số loại loadcell thông dụng Hình 1.110b. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 17 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS Hình 1.120c. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo 1.3.2. Thông số kỹ thuật cơ bản - Độ chính xác: Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc vào tính chất phi tuyến, độ trễ, độ lặp. - Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà loadcell có thể đo được. - Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra loadcell được bù vào. Nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kỹ thuật đã được đưa ra. - Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP (Ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi). - Điện áp cung cấp: giá trị điện áp làm việc của loadcell (thông thường đưa ra giá trị nhỏ nhất và lớn nhất. Ví dụ: 5÷15V) - 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 - Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của loadcell và thiết bị kết nối dòng điện. - Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng. - Giá trị đầu 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 loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải. - Quá tải an toàn: là công suất mà loadcell có thể vượt qua. - Hệ số tác động của nhiệt độ: đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ (ví dụ: 0.01%/10oC: nghĩa là nếu nhiệt độ tăng thêm 10oC thì công suất đầy tải của loadcell tăng thêm 0.01%). Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 18 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS - Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống hệ số tác động của nhiệt độ nhưng ở chế độ không tải. 1.3.3. Ứng dụng của loadcell Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay. Hình 1.11. 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 là cân động. Để cân được một vật có trọng tải lớn và đang di chuyển yêu cầu đầu đọc loadcell phải có độ chính xác và độ bền cao. Hình 1.12. 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 loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Như hình minh hoạ, loại loadcell 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. Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 19 Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS - Ứng dụng trong cầu đường: Các loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell 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. ĐỐI TƯỢNG ĐO KHUẾCH CẢM Hình 1.13. Ứng dụng MẠCH của loadcell trong cầu đường ĐẠI BIẾN CẦU LCD Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Yêu cầu, nội dung Thiết kế hệ thu thập số liệu đo,NGUỒN ghép nối và truyền thông với máy tính. ADC KÍCH CHO Thông số kỹ thuật chính: 10bit Độ nhạy: 2mV/VCẦU &Vref Khoảng đo: 0÷50Kg (5V DC) VI XỬ LÝ 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo Hệ thống có sơ đồ như sau: NGUỒN VXL (5V DC) PHÍM CHỈNH 0 MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH (RS485) Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 20 PC