Bài 7: CẢM BIẾN LỰC

Chia sẻ: Nguyen Van Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

801
lượt xem 104
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lực là một đại lượng vật lý thường được xác định theo định luật Newton: F=ma (N) (1.1) Trong đó: m- khối lượng của vật chịu tác động của lực, (kg) a- gia tốc chịu tác dụng của lực có được, (m/s¬¬2) Để cảm biến lực có thể đo theo nhiều cách khác nhau: - Đo gia tốc của vật trung gian có khối lượng đã biết để xác định lực theo (1.1) - Cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng có thể xác định trị số. - Cân bằng lực cần đo với một lực điện từ có thể xác định trị số. - Biến đổi lực thành...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài 7: CẢM BIẾN LỰC

Bài 7: CẢM BIẾN LỰC 7.1 .KHÁI NIỆM CHUNG: Lực là một đại lượng vật lý thường được xác định theo định luật Newton: F=ma (N) (1.1) Trong đó: m- khối lượng của vật chịu tác động của lực, (kg) a- gia tốc chịu tác dụng của lực có được, (m/s2) Để cảm biến lực có thể đo theo nhiều cách khác nhau: - Đo gia tốc của vật trung gian có khối lượng đã biết để xác định lực theo (1.1) - Cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng có thể xác định trị số. - Cân bằng lực cần đo với một lực điện từ có thể xác định trị số. - Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này. - Đo ứng suất tạo ra ở một vật trung gian khi nó chụi tác động của lực cần đo và từ đó suy ra lực. Đo lực rất cần trong xây dựng, chế tạo cơ khí, tự động hóa,..nên các cảm biến lực, ngẫu lực, ứng suất, áp suất rất đa dạng. Dãi đo lực rộng, từ vài phần N đến hàng chục triệu N. 1.2. CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN: 7.2.1. Hiệu ứng áp điện: Hiệu ứng áp điện là sự xuất hiện phân cực điện hay thay đổi phân cực điện đã có trong vài chất điện môi tự nhiên( thạch anh, tuamalin,…) Hoặc điện môi nhân tạo( thạch anh tổng hợp, sulfat liti,…) Khi chúng bị biến dạng cho một lực tác dụng có chiều nhất định. Hiệu ứng áp điện có tính chất thận nghịch: - Thuận: hai bản cực có một tụ điện được áp lên hai mặt đối diện của một phiến áp điện mỏng. Khi tác dụng một lực lên 2 bản cực để ép phiến áp điện thì trên 2 bản cực xuất hiện các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế giữa 2 bản cực tỷ lệ với lực ép. Lực ngừng tác động thì hiệu điện thế không còn nữa. CB áp điện này cho phép đo lực tác dụng cũng như đo các đại lượng vật lý gây ra tác động giống như lực, chẳng hạn áp suất, gia tốc, rung. - Nghịch: cấp một điện áp vào 2 bản cực, một điện trường giữa hai bản cực được tạo ra và dưới tác động của điện trường này, phiến áp điện bị biến dạng và trong điều kiện thích hợp, phiến áp điện có thể có trạng thái cộng hưởng cơ học. Tính chất này được sử dụng để chế tạo máy siêu âm, bộ lọc hay bộ điều khiển dao động. 7.2.2. CÊu t¹o và nguyªn lý ho¹t ®éng: Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện. Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện m ỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định vỡ độ cứng cao. Tuy nhiên hi ện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền vỡ độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất vỡ giá thành chế tạo thấp cũng đ ượcc sử dụng đáng kể. Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 6.1. 61
Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản c ực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Các biến dạng cơ bản xác định chế độ lμm việc của bản áp điện. Trên hình vẽ biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện. Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép n ối ti ếp ho ặc song song. Truờng hợp ghép song song hai bản áp điện (hình a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với truờng hợp một bản áp điện. Khi ghép nối tiếp (hình b) điện áp h ở m ạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa. Những nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu diễn trên hình c. 7.2.3. Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm Các cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm có cấu tạo như hình vẽ, chúng gồm 62
các phiến cắt hình vòng đệm ghép với nhau và chỉ nhạy với lực nén tác d ụng d ọc theo trục. 1) Các vòng đệm, 2) Các tấm đế, 3) Đầu nối. Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm) đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm). Người ta cũng có thể dùng cảm biến loại này để đo lực kéo bằng cách tạo lực nén đ ặt trước (dùng các bulông xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo được đo như sự s ụt giảm c ủa l ực nén. Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5 - 10%. 7.2.4. Cảm biến thạch anh nhiều thành phần Trong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh được cắt theo các hướng khác nhau, khi đó chúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực. a) ký hiệu các trục. a) Các phiến cắt đặc biệt, c) Cảm biến ba thành phần vuông góc Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26, do đó một vòng đệm cắt theo phương của trục X chỉ nhạy với lực nén (vì có d11), các lực ký sinh tác động theo cạnh bên đều không gây nên hiệu ứng với vòng đệm và các ứng lực mà hiệu ứng của chúng liên quan đến d12, d14 sẽ không có mặt. Tương tự như vậy, một vòng đệm cắt theo phương Y chỉ nhạy với lực cắt theo bề dày (vì có d26) và bằng cách lắp ghép hợp lý có thể loại trừ hiệu ứng của các ứng lực liên quan đến d25 (cắt theo mặt). Hai mặt cắt đặc biệt này biểu diễn trên hình 6.4b, chúng được sử dụng để chế tạo các cảm biến thạch anh nhiều thành phần. Trên hình c biểu diễn một cảm biến ba thành phần vuông góc gồm ba cặp vòng tròn ghép với nhau, m ột cặp nhạy với lực nén Fx, hai mặt còn lại nhạy với lực cắt Fy và Fz vuông góc với Fx. 7.2.2. Sơ đồ mạch đo: a) Sơ đồ tương đương của cảm biến: 63
Trong dải thông rộng, cảm biến tương đương với một nguồn dòng mắc song song với trở kháng trong (gồm ba nhánh) của cảm biến (hình a). Nhánh ρ, λ, γ đặc trưng cho cộng hưởng điện cơ thứ nhất ở tần số cao nằm ngoài dải thông của cảm biến. Điện trở trong Rg là điện trở cách điện của vật liệu áp điện, khi ở tần số thấp nó trở thành trở kháng trong của cảm biến. Tụ điện Cg là điện dung của nguồn phát điện tích, khi ở tần số trung bình và cao nó trở thành trở kháng của cảm biến. Trên thực tế ở dải thông thường sử dụng, người ta dùng mạch tương đương biểu diễn ở hình b. Khi nối cảm biến với mạch ngoài bằng cáp dẫn, trở kháng của cáp dẫn tương đương điện trở R1 và tụ điện C1 mắc song song với cảm biến, khi đó mạch tương đương có dạng hình c. b) Sơ đồ khuếch đại điện áp Trở kháng vào của bộ khuếch đại điện áp tương đương với một điện trở R e mắc song song với một tụ Ce, khi đó mạch tương đương có dạng hình. Điện áp ở lối vào của khuếch đại xác định bởi công thức: c) Sơ đồ khuếch đại điện tích: Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di chuyển của điện tích ở lối vào sẽ gây nên ở l ối ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào. Bộ khuếch đại điện tích gồm một bộ biến đổi điện tích - điện áp đầu vào, một tầng chuẩn độ nhạy, một bộ lọc trung gian và m ột s ố t ầng khuếch đại ở đầu ra để cung cấp tín hiệu ra (hình a). Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày trên hình b. 64
a) Sơ đồ khối b) Sơ đồ ghép nối cảm biến vào bộ chuyển đổi điện tích - điện áp 7.3. Cảm biến từ giảo 7.3.1. Hiệu ứng từ giảo Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình h ọc hoặc tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo. Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đường cong từ hoá c ủa chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư có thể xác định được đ ộ l ớn của lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch. - Cơ chế từ hoá: Như chúng ta đã biết trong vật liệu sắt từ, mỗi nguyên tử được đặc trưng bởi một mômen từ. Để giảm thiểu năng lượng tổng cộng, momen từ của các nguyên tử trong cùng một miền từ hoá tự nhiên (domen) phải hướng theo một hướng chung. Hướng chung này định hướng theo một số hướng ưu tiên của mạng tinh thể gọi là hướng dễ t ừ hoá. Hướng của các mômen từ trong các domen cạnh. nhau không trùng nhau. Khi có từ trường ngoài H tác động, sự định hướng của mô men từ trong một domen theo một hướng chung tăng dần. Khi H nhỏ, các vách domen từ dịch chuyển và kích th ước của các domen từ có hướng từ hoá thuận lợi trùng với hướng của từ trường bên ngoài tăng lên. Khi t ừ trường ngoài tăng lên đến mức nào đó xảy ra hiện tượng đảo hướng của các domen theo hướng từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài đủ mạnh sẽ làm quay hướng dễ từ hoá của các domen từ theo hướng từ trường ngoài dẫn đến bảo hoà (hinha). - Hiện tượng từ trể: Sau khi từ hoá lần đầu đến bảo hoà (H = Hm), nếu vẫn giữ nguyên phương từ trường và thực hiện một chu trình khép kín (H m,0,- Hm,0) ta nhận được đường cong từ hoá như hình b gọi là đường cong từ trể với độ từ dư Br là kháng từ Hc. 65
a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ c) Sự biến dạng của đường cong từ hoá dưới tác dụng của lực kéo Khi trong vật liệu sắt từ có ứng lực, kích thước mạng tinh thể thay đổi, các hướng d ễ t ừ hoá thay đổi dẫn đến làm thay đổi định hướng của các domen. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng t ừ giảo nghịch. Trên hình 6.9 biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của permalloy 68( 68%Ni, 32%Fe) 7.3.2. Cảm biến từ thẩm biến thiên Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo thành m ột mạch từ kín (hình 6.10). Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đ ổi đ ộ từ thẩm μ, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm của cuộn dây cũng thay đổi. S ự thay đổi tương đối của L, R hoặc μ tỉ lệ với ứng lực σ, tức là với lực cần đo F: 66
7.3.3. Cảm biến từ dư biến thiên: Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dư Br. Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dσ < 0), Br tăng lên: Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện đ ộng t ỉ l ệ với dBr/dt. Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng: Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây. 7.4. Cảm biến xúc giác: Phần chính của cảm biến là một đế cách điện trên đó có m ột l ưới d ẫn đi ện (hình 6.11a) được đặt dưới điện áp V. Lưới điện gồm hai hệ th ống dây dẫn (X 1, X2,...) và (Y1, Y2,...) vuông góc với nhau tạo thành những ô vuông nh ỏ, m ỗi ô vuông nh ỏ đ ều có m ột đi ện cực được cách điện với dây dẫn của lưới bao quanh nó, các điện c ực này n ối v ới đ ất thông qua mạch đo dòng. Mặt trên của hệ thống được phủ cao su có pha các h ạt d ẫn đi ện. Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào đó của tấm cao su, kho ảng cách gi ữa các h ạt d ẫn đi ện ở phần đó ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên (hình 6.11b). To ạ đ ộ c ủa vùng có dòng điện tăng lên sẽ xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị c ủa nó xác định giá trị c ủa l ực. 67
7.5. CẢM BIẾN LỰC – LOAD CELLS 7.5.1. Load cells 7.5.1.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động 7.5.1.1.1 Loadcell là gì? Load cell là thiết bị điện dùng để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện. 7.5.1.1.2 Nguyên lý hoạt động Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ 7.5.2 Phân loại Có thể phân loại loadcells theo: - Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcells) ... - Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S… 7.5.3 Loadcells tương tự và Loadcells số. Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (gọi là load cell tương tự). Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị. Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thông thường bao gồm một hoặc một vài load cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box) như hình vẽ. 68
H-1 Sơ đồ hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa 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. 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 ứng dụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression)… Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là 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 69
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 ở mỗi nơi rất khác nhau, thiết bị đo ở các 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 đo lường 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 bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại load cell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ. Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém. Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục,… Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo load cell đã khám phá khả năng có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và khái niệm load cell số ra đời. 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. Tham khảo cấu trúc một load cell số trên hình H-2 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 l? 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. 70
H. Cấu trúc load cell dạng số 71
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 độc lập có thể được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đó có 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 kiểu Master/Slave, ở đó định nghĩa một thiết bị (thường l? PC hoặc indicator) là master trên mạng. Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả các quá 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 độ thứ nhất có ưu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau? cung cấp một môi trường multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên 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 số là mặc dù? nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập. Khái quát lại, hệ thống cân dùng load cell số có một số ưu điểm nổi bật sau: Với đầu ra số, hệ thống có được: - Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi 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. - Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần. - Mỗi load cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng. 72
- Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành phần tích hợp. - Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi một load cell không ảnh hưởng đến các load cell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian. Một số ưu điểm khác : Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà không cần tải chết. Load cell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại. Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống. Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là mở rộng đường dây cable. Tiết kiệm phần cứng. phần mềm dễ dàng phát triển. Những ưu điểm của hệ load cell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng. 7.5.4. Lựa chọn loadcells và thiết bị liên quan 7.5.4.1. Chọn loadcells Khi lựa chọn Loadcells thì các thông số cần phải quan tâm là: - Chọn loại tương tự hay loại số? - Các thông số như mV/V là gì, tín hiệu vào ra, tầm sử dụng tải… - Cấu tạo Loadcell, thụ động (thuần trở) hay tích cực (bán dẫn), độ ổn định, chịu nhiệt, chịu nước, chống nhiễu.. - Kết cấu của ứng dụng, lưc tập trung, lực phân bố, tải trọng tỉnh, tải trọng động.. - Phương pháp cân: chất lỏng chất rắn, cân kiểm tra, cân định lượng, cân phân loại, cân gián tiếp liên tục (cân băng tải).. - Thiết bị đọc tín hiệu: Indicator, PLC, Micro Controler, PC… - Xử lí tín hiệu: ADC, mạch lọc, mạch tích phân, chống rung, khử xung nhiễu, khử quán tínhh, ghép nhiều Loadcell, giải thuật, độ chính xác, hiệu chỉnh… 7.5.4.2. Chọn hộp nối (Junctionbox) Sau khi đã lựa chọn xong load cell, tuỳ theo số lượng load cell và loại load cell mà ta chọn loại hộp nối là loại 4 đầu hoặc 8 đầu nối. Cũng từ chế độ dòng áp của load cell mà ta lựa chọn chế độ dòng áp của hộp nối cho phù hợp. Một số thông số cần quan tâm khi chọn hộp nối: - Số đầu đo của load cell phải bằng hoặc lớn hơn số load cell của cân. - Khả năng chỉnh góc của hộp nối. - Cấp bảo vệ của hộp nối. (Ví dụ như IP65, IP66,…) - Chọn bộ hiển thị (Indicator) Bộ hiển thị thông thường có hai loại: - Loại hiển thị số: đó là những bộ hiển thị mà nó nhận tín hiệu đầu vào dạng số. Đối với loại hiển thị số thì thường chọn loại hiển thị cùng chủng loại với chủng loại của load cell. - Loại hiển thị tương tự: là bộ hiển thị có tín hiệu đầu vào dạng tương tự. Có thể chọn loại bộ hiển thị cùng chủng loại với load cell. Tuy nhiên, loại hiển thị đó phải đáp ứng được yêu cầu: o Phù hợp trở kháng đầu vào giữa load cell và bộ chỉ thị. o Nguồn cấp cho load cell từ bộ chỉ thị phải phù hợp. o Độ phân giải của bộ hiển thị và mức tín hiệu đưa về từ load cell phải phù hợp. o Mức tín hiệu 73
Ghép nối tín hiệu từ thiết bị hiển thị là tín hiệu đã được số hoá và đưa ra cổng nối tiếp theo chuẩn RS232 hoặc RS485. Vì vậy, để đưa về máy tính thì ta thu thập qua cổng COM ́ của máy tính. Tín hiệu bắt về đã được thiết bị chỉ thị chuyển đổi và đưa về theo từng khung dữ liệu chuẩn. Để đảm bảo cách ly tín hiệu giữa máy tính và các thiết bị điện tử ở bên ngoài thì thông thường tín hiệu trước khi đưa trực tiếp vào cổng COM của máy tính thì nó được nối cách ly bằng một card cách ly quang. Tín hiệu thu về không thay đổi định dạng khung dữ liệu và tốc độ truyền. 1.5.5 Kết nối Loadcells 1.5.5.1 Đối với loadcell tương tự. Đấu đúng các dây trên cable theo như ký hiệu của từng dây, Nếu có nhiều loadcell thì kết nối như hình vẽ rổi sau đó kết nối đến bộ hiển thị cho loại Loadcell tương tự tương ứng.Sau khi qua bộ hiển thị thì tín hiệu được chuyển thành dạng số và thường được đưa ra các chuẩn giao tiếp như RS232, RS422, RS485. Như vậy ta có thể dễ dàng kết nối chúng tới PLC, hoặc PC. Excitation (Điện áp kích thích) là đầu vào dương của điện áp cung cấp Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp +Output là tín hiệu ra dương của load cell -Output là tín hiệu ra âm của load cell +sense và – sense là các dây dẫn đựoc nối trực tiếp với Excitation. Nói chung để tránh nhiễu. Có loại Loadcell thì có, có loại thì không. Có thể nối cũng dược mà không nối cũng được. Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối. 1.5.5.2 Đối với loadcell số. Load cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 4 mô hình ứng dụng điển hình. Chú ý: Đẩu ra của loadcell số có thể được thiết kế theo giao diện 74
Profilebus PC, DeviceNet, EtherNet/IP, ModBus, RS232,RS422,RS485, 4- 20mA, 0-10VDC. Thậm chí có cả giao tiếp qua cổng USB. Nên ta có thể tùy chọn loại Loadcell có giao diện phù hợp và có thể kết nối trực tiếp đến PLC, PC,…Với đề tài dùng PLC ta có thể chọn RS232, RS232C, RS422, RS485. Mô hình 1. Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485. Các load cell nối với nhau thành cấu trúc hình sao. Junction Box hỗ trợ nối song song 8 load cell số. Card RS422/RS485 cho phải kết nối trực tiếp đến máy tính PC hoặc PLC. H-3 Mô hình ứng dụng 1 Mô hình 2. Mô hình này chỉ khác với mô hình 1 là có thêm các thiết bị bảo vệ SPD cho hệ thống load cell với máy tính chủ, chống lại các ảnh hưởng có hại như xung điện hoặc quá áp. 75
H-5 Mô hình ứng dụng 3 Với hệ thống load cell số, các load cell có thể hoạt động như các thiết bị độc lập, nhận dạng trong hệ thống bằng địa chỉ của nó. Vì vậy, nhiều hệ thống có thể cùng dùng chung một thiết bị điều khiển, đơn giản chỉ cần đi đường dây mạng liên kết chúng về một trạm điều khiển. Thông thường một trạm chủ này có thể quản lý được đến 32 load cell số. 76
H-6 Mô hình ứng dụng 4 Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp trực tiếp với các load cell hoặc với Junction Box. Ngoài chức năng hiển thị, bộ hiển thị này có thể thực hiện một số chức năng điều khiển khác thông qua cácđầu vào ra. 1.6 Tìm hiểu các thông số kỹ thuật trong datasheet Theo như em hiểu thì ý nghĩa của các thông số này như sau: - Tải trọng (R.C.) / Rate capacity (tf): VD như 10tf, 25tf, 50tf là các mức tải trọng cho phép của Loadcell - Điện áp ra (R.O.)/ Rated output (mV/V): Giả sử bằng 2mV/V đối với loadcell có tải trọng lớn nhất là 3 tấn. Khi đó nếu: o Dùng điện áp kích thích là 1V, thì nếu đặt vật nặng 3 tấn lên Loadcell thì đầu ra ta thu được tín hiệu có điện áp 2mV. o Dùng điện áp kích thích là 5V, thì cũng là vật nặng 3 tấn thì đầu ra ta thu được điện áp 2mVx5V=10mV o Tương tự nếu dùng điện áp kích thích là 10V thì ta thu được đầu ra l? 2mVx10V=20mV. Em xem thì hầu như điện áp kích thích của đầu cân là 5V. - Đại số tuyến tính / Combined error (%R.O) : VD bằng 0.03 / 0.02 Là mức tuyến tính của đặc tuyến “tải trọng vào - điện áp lối ra”. Giá trị này càng nhỏ thì độ tuyến tính càng cao. - Điện áp kích thích / Recommended excitation (VDC) : 10 - Điện áp kích thích tối đa / Maximun excitation (VDC) : 15 - Tải nhiệt độ làm việc / Compensated temperature range (Degee) : -10 ~ 40 là dải nhiệt độ của môi trường cho phép Loadcell làm việc ổn định. - Tải nhiệt độ mở rộng / Operating temperature range (Degee) : -40 ~ 70 là dải nhiệt độ của môi trường có thể mà Loadcell vẫn có thể làm việc được. - Bảo vệ quá tải / Safety overload (% R.C) : VD bằng 150 tức là cho Phép quá tải tối đa là 15tấn nếu loại loadcell có tải trọng cho phép là 10 tấn. Thường để phòng trường hợp đột nhiên có quá tải mà ta không lường trước được. Dải tải trọng sử dụng nên nhỏ hơn 10 tấn để đảm bảo an toàn. - Cấp bảo vệ / Protection class : VD như IP65, IP 68…(Giải thích mục 1.6.1) - Dây dẫn / Cable cho biết chiều dài (đơn vị ln hoặc mét ), loại cable (4 hoặc 6 dây) - Chất liệu / Material : VD như Nickel Plated Steel, Stainless Steel – SS, Anodized Aluminum, Nickel Plated Alloy Steel, là các vật liệu dùng làm Loadcell - Trở cầu/ Bridge Resistance: là trở kháng giữa 2 đầu tín hiệu ra +singnal và –singnal. Thường có giá trị 300, 700, 1000 Ohm tùy loại. Giá trị này dùng để tính: Trở sơn (Shunt Resistor) cần mắc thêm vào như sau: 77
Giá trị Sơn thường được ghi trong datasheet. Nếu không thì ta dùng link sau để nhập và tính giá trị trở Sơn này: Khi mắc song song nhiều Loadcell cùng loại thì giá trị cầu được tính như sau: - Cân bằng điểm 0 / Zero balance (%R.O) : +/- 1: Là điện áp lối ra khi chưa có tải. Đơn vị mV - Hiệu ứng nhiệt độ tại điểm 0 / Temp Effect on 0 value (Temp shift Zero) VD +/-0.01% of R.O/0F (Hay 0.018%R.O/0C) c? nghĩa l? giá trị điện áp ở hai đầu tín hiệu ra bị lệch đi 0.018% điện áp R.O khi tăng hoặc giảm 10C. - Hiệu ứng nhiệt độ tại ngõ ra / Temp Effect on out value(Temp shift Span) : VD +/-0.01% of LOAD/0F (Hay 0.018%of LOAD/0C) Tức giá trị của điện áp tín hiệu ra ở một tải trọng nhất định sẽ thay đổi 0.018% giá trị điện áp tương ứng của tải trọng đó khi nhiệt độ môi trường thay đổi 10C Sau đây là một số thông số em vẫn chưa nắm được: - Đại số lập lại / Repeatability (%R.O) - Cấp chính xác / Approval class : OIML R60 - Độ trễ/ Reep (%R.O) - Điện trở cách điện / Sulation resistance (Mega OM) : >2000 1.5.6.1 Cấp bảo vệ IPxx? IP là tên viết tắt cho Ingress Protection (có nghĩa là chống lại các tác động, Xuất nhập từ bên ngoài). Các chuẩn này thường được đặt tên dạng IPxx, trong đó x là các chữ số (như 0 1 2 3 4 5 6 …). Mỗi chữ số tương ứng với một chuẩn đánh giá do tổ chức quốc tế đặt và kiểm định. Chúng ta lấy ví dụ cho chuẩn IP66 - Chữ số 6 đầu tiên trong dẫy ký hiệu của chuẩn IP66 là sự đánh giá khả năng chống lại sự xâm nhập của bụi (số 6 tượng trưng cho khả năng chống lại bụi bẩn) - Chữ số 6 thứ hai đánh giá khả năng chống lại nước (số 6 có nghĩa là chống lại được nước phun trực tiếp vào thiết bị) Chữ số đầu tiên đánh giá khả chống lại các đối tượng rắn 0 – Khồng có sự bảo vệ đặc biệt nào 1 - Ngăn lại các đối tượng rắn có kích thước lớn hơn 50mm không xâm nhập được vào thiết bị 78
2 - Ngăn lại các đối tượng rắn có kích thước lớn hơn 12mm không xâm nhập được vào thiết bị 3 - Ngăn lại các đối tượng rắn có kích thước lớn hơn 2,5mm không xâm nhập được vào thiết bị 4 - Ngăn lại các đối tượng rắn có kích thước lớn hơn 1,0mm không xâm nhập được vào thiết bị 5 - Bụi được bảo vệ không hoàn toàn nhưng vẫn đảm bảo sự hoạt động của thiết bị 6 - Thiết bị được đảm bảo chống bụi hoàn toàn, đảm bảo hoạt động tốt trong môi trường nhiều bụi Chữ số thứ hai đánh giá khả năng chống lại nước 0 - Không có sự bảo vệ đặc biệt nào 1 - Chống lại nước chảy vào thiết bị dạng giọt theo phương thẳng đứng 2 - Chống lại nước bắn vào thiết bị dạng giọt tới thiết bị với tất cả các góc nghiêng dưới 15 độ 3 - Chống lại nước phun vào thiết bị với góc nghiêng dưới 60 độ 4 - Chống lại nước tóe từ mọi phía tới thiết bị 5 - Có khả năng chống lại nước được phun từ mọi hướng tới thiết bị 6 - Thiết bị vẫn được bảo vệ khi bị nhúng nước hoàn toàn 79