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 3
Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC 4
1.1. Khái niệm chung 4
1.2. Các phương pháp đo lực 4
1.2.1. Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng 4
1.2.2. Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển 12
1.3. Một số phần tử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế 14
1.3.1. Một số loadcell thông dụng 15
1.3.2. Thông số kỹ thuật cơ bản 16
1.3.3. Ứng dụng của loadcell 17
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19
2.1. Yêu cầu, nội dung 19
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo 19
Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ 47
3.1. Kết quả thực nghiệm: 47
3.2. Đánh giá sai số 48
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
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
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>105N) 5
Hình 1.2. Ví dụ locell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) ( <103N ) 5
Hình 1.3. Một số loại tenzo 6
Hình 1.4. Thân cảm biến 10
Hình 1.5a. Cảm biến tự do trọng lượng 11
Hình1.6. Lực kế bằng dẫn kéo 13
Hình 1.7. Lực kế bằng dẫn nén 13
Hình1.8. Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở 13

Hình1.9. Sơ đồ hỗ cảm vi sai 14
Hình 1.100a. Một số loại loadcell thông dụng 15
Hình 1.110b. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli 16
Hình 1.120c. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo 16
Hình 2.13. Sơ đồ cấu trúc Atmega16 21
Hình 2.14. Sơ đồ chân Atmega 16 23
Hình 2.15. Một số dạng đầu đo của Siwarex R Loadcell 24
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
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 3
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 10
6
÷10
8
N, nhưng có khi cần đo lực rất nhỏ 10
-5
÷10
-12
N, như vậy khoảng
đo có thể từ 10
-12
÷ 10
8
N, tức là phạm vi đo D = 10
20
. 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=10

4
.
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
-5
N 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 4

Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
2
1
140
325
Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>10
5
N)
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
ε
=
(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
ε
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
2
1
90
114

Hình 1.2. Ví dụ locell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) ( <10
3
N )
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
1: Phần tử đàn hồi 2: Cảm biến

1
E
σ
ε
=
(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)
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
L

∆
=
ε
, tenzo được dán lên đối tượng đo, lúc đối tượng đo bị
biến dạng, tenzo biến dạng theo và điện trở của tenzo thay đổi một lượng
RR
∆
.
Ta có:






∆
=
∆
l
l
f
R
R
Hay
)(
1
εε
f
R
=

Mặt khác ta biết:
s
l
pR .
=
Trong đó: s- tiết diện dây
l- chiều dài dây
p- điện trở suất của dây dẫn làm tenzo
Do đó:
s
s
l
l
R
R
∆
+
∆
+
∆
=
∆
ρ
ρ
Hay:
slR
εεεε
ρ
++=
Trong đó:

R
ε
-Sự biến thiên tương đối của điện trở tenzo
l
ε
-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 6
Figure 01
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
p
ε
-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:
lps
K
εε
.2
−=
(Kp – hệ số Poisson)
Nếu đặt ε
P
=mε
l
(m là hệ số tỷ lệ) ta có:
1
( 2 )
R l p
l K m K

ε ε ε
= + + =
(1.3)
Đây là phương trình biến đổi tổng quát của tenzo
Độ nhạy của tenzo:
1 2
R
P
l
k K m
ε
ε
= = + +
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
σ
và E như sau:







∆
=
l
l
E
σ

(1.4)
Do đó phương trình biến đổi của tenzo có thể biểu diễn dưới dạng:

σε
.
E
K
R
R
R
=
∆
=
(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
ε
trong giới hạn đàn hồi không lớn hơn 2,5.10
-3
do đó
1025,1
÷≈
r
ε
. 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
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
Tức là chỉ có một tenzo hoạt động. Mạch này có nguồn cung cấp là U
o
, điện áp ra
U
T
:
R
T

- Điện trở tenzo
R
ε
- Độ biến thiên tương đối của điện trở tenzo khi bị biến dạng
R
1
, R
2
, R
3
-Điện trở mắc vào cầu đo
k- Độ nhạy của vật liệu làm tenzo
Ta có điện áp ra:

[ ]
3 2 4
4 2 3
(1 )
(1 ) ( )
R TO
T o
R TO
R R R R
U U k
R R R R
ε
ε
+ × × − ×
= × ×
+ × + × +

(1.6)
Ta chọn R2 =R3 =R4 = R
TO
= R với R
TO
- Điện trở tenzo khi chưa bị biến dạng.
Điện trở tenzo R
T
biến thiên một lượng
R
∆
và khi đó:
TOT
RRR
+∆=


4
o
T
TO
U
R
U k
R
∆
= × ×
(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 U
o
, điện áp ra U
T
. Khi điện áp ra của mạch cầu đo tăng
gấp hai lần:

2
O
T
TO
U
R
U k
R
∆
= × ×
(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.
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 8
R R
R
R
T
U
O

U
T
U
O
R
R
T
U
T
R
R
T
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS

0T
TO
R
U U k
R
∆
= × ×
(1.9)
Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tenzo:
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)10
7
N/m
2
.
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.α.∆T; với α 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:
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

( )
( )
S
d R
d T
R
T
= =
∆
∆
α
(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
hệ số α với số mũ là 10
-5
/
0
C, 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 1
o
C gây ra lớn gấp mười lần so vơí độ nhạy của cảm biến do tác động của
ứng suất 1kG/cm
2
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:
274.0000
56.0625
10
1
8
9
2
5
6
11
7
3
40.0801
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
1
2

e s
e
E
f
J
ε
π
= =
(1.11)
Trong đó:
e
= 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 ɛ
1
tức vào lực F tác dụng lên phần
tử đàn hồi.
Do ∆f
1
= f
1
– f
o
ta suy ra được F

Với f
1
= tần số khi có tác động của lực F
∆f
1
= f(F) được xác định từ công thức thực nghiệm dung để khắc độ lực kế
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
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).
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 = d
1
F
Với: q = điện tích ở cực của cảm biến
d
1
= 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
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

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 Mô đun đàn hồi (Kg lực/mm
2
)
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
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 12
r
90
ω
1
ω
2
U = const
E2 = f(F)
P
# 0
ω
2
ω
1
ω
2
ω
1
P

= 0
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
Hình1.6. Lực kế bằng dẫn kéo
Với những lực lớn hơn, ta có thể dung cơ cảm hình xuyến:
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,
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 13
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
Hình1.9. Sơ đồ hỗ cảm vi sai
Ta có:
1 2
2
E E
U
−
∆ =
(1.13)

( ) ( )
2
o k o k
M M I M M I
U
ω ω

+ ∆ − − ∆
∆ =
(1.14)

∆V = ∆MωJ
k
(1.15)
Trong đó: ∆M = biến thiên hỗ cảm lúc lõi thép di chuyển.
ω = tần số nguồn cimh cấp
I
k
= 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.
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 14
F
L1
L2
δ
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
1.3.1. Một số loadcell thông dụng
Hình 1.100a. Một số loại loadcell thông dụng
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
Hình 1.110b. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli
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).
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
- 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%/10
o
C: nghĩa là nếu nhiệt
độ tăng thêm 10
o
C thì công suất đầy tải của loadcell tăng thêm 0.01%).

- 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.
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 1.12. 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.
- 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.
Hình 1.13. Ứng dụng của loadcell trong cầu đường
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
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. Yêu cầu, nội dung
Thiết kế hệ thu thập số liệu đo, ghép nối và truyền thông với máy tính.
Thông số kỹ thuật chính:
Độ nhạy: 2mV/V
Khoảng đo: 0÷50Kg
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo
Hệ thống có sơ đồ như sau:
Hoạt động của hệ thống:
Cảm biến gồm 4 tenzo được nối với nhau thành một mạch cầu. Khi không có lực
tác động, mạch cầu này ở trạng thái cân bằng, điện áp ra bằng 0. Khi có đối đượng đo
đặt lên, lực sẽ tác động làm thay đổi chiều dài của tenzo. Bên trong cảm biến lúc này
mạch cầu sẽ bị lệch và sẽ tạo ra điện áp. Tuy nhiên, điện áp này rất nhỏ, ADC không
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 19
LCD
ĐỐI
TƯỢNG
ĐO
CẢM
BIẾN
MẠCH
CẦU
KHUẾCH
ĐẠI
NGUỒN
KÍCH CHO
CẦU &Vref
(5V DC)
NGUỒN
VXL
(5V DC)

VI XỬ LÝ
ADC
10bit
MẠCH GIAO
TIẾP MÁY
TÍNH (RS485)
PC
PHÍM
CHỈNH 0
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
thể đọc được. Vì vậy cần phải đưa qua một khâu khuếch đại trước khi đưa vào ADC.
Từ giá trị điện áp sau khi qua ADC10 bit sẽ chuyển thành giá trị số 0 ÷ 1024. Từ giá
trị số này sẽ được quy đổi ra khối lượng, sau đó hiển thị lên LCD và truyền lên máy
tính.
Nguồn cấp cho cầu đồng thời cũng là nguồn cấp cho V
ref
của ADC vì vậy sẽ giảm
được sai số.


.
4
cc
x
U R
U
R
∆
=

(2.1)

ef
.1024
x
ADC
r
U
N
U
=
(2.2)
Có:
cc
U
=
efr
U

Thay (2.1) vào (2.2)
cc
U
và
efr
U
sẽ triệt tiêu cho nhau:

.1024
ADC
R

N
R
∆
=

(2.3)
2.2. Lựa chọn thiết bị
2.2.1. Vi xử lý trung tâm
ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực hiện
mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1
MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz).
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 20
cc
U
x
U
VXL
efr
U
R
R
R
R
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
Hình 2.13. Sơ đồ cấu trúc Atmega16
Tính năng của họ AVR :
- Giao tiếp SPI đồng bộ.
- Các đường dẫn vào/ra (I/0) lập trình được.
- Giao tiếp I2C.
- Bộ biến đổi ADC 10 bit.

- Các kênh băm xung PWM.
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 21
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv.
- Một bộ định thời Watchdog.
- 3 bộ Timer/Counter 8 bit.
- 1 bộ Timer/Counter 16 bit.
- 1 bộ so sánh analog.
- Bộ nhớ EEPROM.
- Giao tiếp USART vv.
Atmelga 16 có đầy đủ tính năng của họ AVR:
- Bộ nhớ 16K(flash).
- 512 byte (EEPROM).
- 1K (SRAM).
- Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT
A,B,C,D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.
- Giao tiếp SPI.
- Giao tiếp I2C.
- Có 8 kênh ADC 10 bit.
- 1 bộ so sánh analog.
- 4 kênh PWM.
- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ Timer/counter 16 bit.
- 1 bộ định thời Watchdog.
- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được.
Atmega16 là hệ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ năng lượng ít dựa trên kiến trúc
RISC. Bằng cách thực hiện các lệnh mạng trong 1 chu kỳ xung nhịp, Atemega16 đạt
được tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 1 triệu lệnh / giây với tần số 1MHz cho phép người
thiết kế hệ thống tối ưu mức tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.
Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng, tất cả 32
thanh ghi này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh

ghi độc lập được truy cập bằng 1 lệnh đơn lẻ trong 1 chu kì xung nhịp. Kết quả là tốc
độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường.
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 22
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
Hình 2.14. Sơ đồ chân Atmega 16
Mô tả các chân :
- Vcc và GND là 2 chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động.
- Port A,B,C,D: là các cổng vào ra 8 bit, các chân của cổng có điện trở nối lên
nguồn dương. Các chân ra của cổng cho phép dòng đi qua. Khi các chân là ngõ vào và
được đặt xuống mức thấp ở bên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lên
nguồn dương được kích hoạt. Các chân Port A,B,C,D là 3 trạng thái khi tín hiệu reset
ở mức tích cực ngay cả khi xung nhịp không hoạt động. Riêng Port A còn có chức
năng là các ngõ ra tương tự và đưa đến bộ chuyển đổi AD.
- Reset đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống.
- 2 chân Xtal1, Xtal2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân này
được nối với thạch anh, tụ gốm.
- Chân Vref thường nối lên 5v(Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này được sử
dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố định. Có thể sử
dụng diode zener.
- Chân Avcc thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này nối
qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi.
- ICP1 là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu vào bộ timer/counter 1.
- OC1B là chân ra PWM, ngõ so sánh của timer/counter1.
- ALE là chân tín hiệu cho phép chứa địa chỉ được dùng để truy cập bộ nhớ ngoài.
2.2.2. Cảm biến Siwarex R
(Trong phòng thí nghiệm đã có sẵn)
2.2.2.1. Giới thiệu chung
Siwarex R là loại cảm biến đo trọng lượng dùng điện trở lực căng (hay còn được
gọi là Straingauges hoặc Piezoresistive). Chúng được dùng để đo các đại lượng đo
lường như: khối lượng động, khối lượng tĩnh.

- Siwarex R Loadcell rất đa dạng về chủng loại với dải đo từ 0 ÷ 280 tấn. Với dải
đo này Siwarex R cho phép đo hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp.
- Đối với mỗi họ Siwarex R có một dải đo nhất định.
- Sử dụng thành phần thép tinh khiết có mật độ chống oxy hóa cao.
- Dễ dàng kết hợp với các module, dễ dàng lắp ghép và tháo rời.
- Các họ chính của Loadcell Siwarex R gồm: CC, K, RN, BB, SB.
2.2.2.2. Một số họ của Siwarex R Loadcell
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 23
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
Hình 2.15. Một số dạng đầu đo của Siwarex R Loadcell
Nhóm CC, K, RN: Điện trở Straingauges dán trên thanh giá đỡ là một thanh dán
đặc biệt, có khả năng đàn hồi, tức là có khả năng trả lại vị trí cũ khi không chịu tác
dụng của lực (Self-aligning bearing).
Các thông số của họ Siwarex R:
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 24
Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
Cảm biến tại phòng thí nghiệm thuộc họ BB
Nguyên lý của Siwarex R BB serials:
Nguyên lý: Khi lực tác dụng vào phần động của cầu làm cho lõi thép biến dạng,
các điện trở Tenzo phía trên bị giãn ra làm cho điện trở của chúng tăng lên, các điện
trở Tenzo phía dưới co lại làm cho điện trở của chúng giảm đi. Với các đấu các tenzo
trong cầu theo kiểu không đối xứng làm cho độ nhạy của cầu tăng lên.
Lợi dụng đặc tính này mà trong hệ truyền lực sửa dụng loadcell, ta có thể tính
theo bài toán lực tĩnh, toàn bộ lực sẽ đặt lên các loadcell không bị tản mát, tạo nên độ
chính xác cao của phép đo.
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 25