Thiết Kế Hệ Thống Cân Ô Tô 4 bánh

Nguyễn Ngọc Tú – Bài tập kĩ thuật đo lường.

Bài tập thiết kế hệ thống cân ô tô 4 bánh tải trọng ≥ 20 tấn.
1. Chọn phần tử đàn hồi .
Do đặc thù cân ô tô là lực nén thẳng đứng tác động xuống loadcell nên ta Chọn phần tử
đàn hồi trục dọc – hình trụ nén.
Tải trọng cỡ 20 tấn trở lên . Do có 4 loadcell bố trí 4 góc bàn cân. Nên mỗi loadcell chịu
tải trọng tối thiểu 5 tấn . Ta chọn loadcell có tải trọng 15 tấn.
Chọn loadcell SLC610 (15t) của hãng Metler Toledo.


Nguyễn Ngọc Tú – Bài tập kĩ thuật đo lường.

Load Cell
Model No.
Rated Capacity (R.C.)
Rated Output
Zero load Output
Combined Error 1), 2)
Repeatability Error
Creep, 30 minute
Min. Dead Load Output Return (DR), 30 min
Min. Dead Load Output
Temperature Effect on
Sensitivity2)
Compensated
Temperature Range
Operating
Safe Storage
European Cert. No.
Class

nmax
Y
4)
OIML/European Approval
PLC
Humidity Symbol
Min. dead load
Z
Number
Class
nmax
NTEP Approval 4)
Vmin
Min. dead load
Number
ATEX Approval 4)

Factory Mutual Approval 4)

Excitation Voltage
Terminal Resistance

Protection
Load Limit

t (klb nominal)
mV/V @ R.C.
%R.C.
%R.C.
%A.L. 3)

%A.L.
%A.L.
%R.C./°C (.../°F)
%A.L./°C (.../°F)
°C (°F)
°C (°F)
°C (°F)

7.5 (16.5)

kg (lb)

150 (331)

kg (lb)
kg (lb)

0.6 (1.3)

Ratings

Entity Parameters
Number, USA
Rating
Entity Parameters
Sys. Drawing No, USA
Recommended
Maximum
Excitation
Output

Insulation Resistance @50VDC
Breakdown Voltage
Material

Unit of
Measure

V AC/DC
V AC/DC

M
V AC
Spring Element
Enclosure
Cable entry fitting
Cable
Type
IP Rating
NEMA Rating
Safe
Ultimate

Safe Dynamic Load
Fatigue Life
Direction of Loading
Restoring Force 5)
Max Horizontal Travel 6)
Weight, nominal
Length

Diameter
Barometric Pressure Effect on Zero Load Output
Dimensions
Drawing No.
To-Scale
Cable

%R.C.
%R.C.
%R.C.
cycles @R.C.
%A.L./mm (../in)
± mm (in)
kg (lb)
m (ft)
mm (in)
kg/kPa (lb/in.Hg)

3)

8 (0.31)

0.5
(3.7)

Specification
SLC610
15 (33)
22.5 (49.6)
2 ± 0.1%

5
C3:
0.018; C4:
0.016
C3:
0.01; C4:
0.007
C3:
0.0167; C4:
0.0125 C4:
C3:
0.0167;
0.0125
0.0009
(0.0005)
C3:
0.0009 (0.0005); C4:
0.0007 (0.0004)
–10 ~ +40 (–14 ~ +104)
–40 ~ +80 (–40 ~ +176)
–40 ~ +80 (–40 ~ +176)
D09-07.41
C3; C4
3000; 4000
15000
0.7
none
300 (661)
450 (992)
3000; 4000

07-083
III M
6000
1.3 (2.9)
1.9 (4.2)
0 (0)
KEMA 09ATEX0175 X
II 1 G Ex ia IIC T6/T5 Ga, II 1 D Ex ia IIIC T100°C Da
II 2 G Ex ia IIC T6/T5 Gb, II2 D Ex ia IIIC T100°C Db
II 3 G Ex nA IIC T6/T5 Gc, II 3 D tc IIIC T100°C Dc
II 3 G Ex ic IIC T6/T5 Gc
UI = 30V, Pi = 4W
3031083
IS/I,II,III/1/ABCDEFG/T4
Vmax=29.9VDC, Imax=450mA, Ci=0, Li=0
72208986
5 ~ 15
20
1150 ± 50
1000 ± 2
> 5000
> 500
stainless steel
316 stainless steel
316 stainless steel
Polyurethane; PTFE
glass-to-metal seal
IP68
NEMA 6/6P
200

300
70
>1000000
compression
2.4 (61)
3.4 (87)
7 (0.27)
5 (0.2)
1 (2.2)
12 (39), 20 (66)
5 (0.20)
1 (7.4)
1.5 (11.2)
72202667
72202666

1)

Error due to the combined effect of non-linearity and hysteresis

2)

Typical values only. The sum of errors due to Combined Error and Temperature Effect on Sensitivity comply with the requirements of OIML R60 and NIST HB44.

3)

A.L. = Applied Load

4)

See certificate for complete information

5)

% of Applied Load (A.L.) per mm (in) displacement of the top button relative to the bottom button

6)

Maximum horizontal displacement of the top button relative to the bottom button


Các thông số quan trọng cần giải thích.



Rate Capacity : Mức tải trọng cho phép. Chọn 15 tấn.
Excitation Voltage : Điện áp kích thích cấp cho loadcell. Chọn bằng 10V.



Rate Output: 2mV/V . Điện áp ra tương ứng với tải trọng cao nhất sẽ được tính bằng
Rate Output * Excitation Voltage. Như vậy ở đây , với tải 15 tấn thì điện áp ra sẽ bằng
20mV.





Combined Error : Sai số đặc tuyến tuyến tính . Ta có điện áp đầu ra theo lý thuyết sẽ
tuyến tính với tải trọng đầu vào. Sai số thực tế này càng nhỏ thì mức tuyến tính càng

cao. Ta vận dụng tính chất tuyến tính này để tính toán tải trọng theo điện áp đầu ra.
C4 ứng với sai số phi tuyến . C5 ứng với sai số tổng hợp của cả nhiệt độ.
Temperature Effect on : Sai số hiệu ứng nhiệt độ. Càng thấp thì càng tốt .



Temperature Range : Dải nhiệt độ hoạt động . -40 – 80 độ C . Khá thích hợp với công
việc cân ô tô.




Load Limit safe : 200 . Tải trọng 200% là quá tải cho phép trong mức an toàn . Cụ thể
là 30 tấn.
Load Limit Ultimate : 300 . Tải trọng 300% sẽ phá hỏng loadcell . Cụ thể 45 tấn.



Safe Dynamic Load : 70 .Mức tải cho hoạt động tốt nhất 70%. Tức là khoảng 10.5 tấn.



Cấp bảo vệ : IP68 : Chống bụi , Chống nước



Breakdown Voltage : 500VAC Điện áp phá hỏng .



Terminal Resistance Ouput : 1000 ôm. Điện trở giữa 2 chân đầu ra .

2. Ghép nối tạo thành hệ thống Loadcell.
Các loadcell sẽ được ghép nối song song với nhau . Tín hiệu ra tổng hợp sẽ là giá trị trung
bình của 4 điện áp đo được .Vì vậy để chính xác , 4 loadcell cần được sắp xếp cơ học trên bàn
cân hợp lý, sao cho lực phân bố trên 4 loadcell là gần tương đương nhau .
Để ghép nối , ta dùng hộp nối dây : Junction Boxes. Trong Junction Boxes có các biến trở
hỗ trợ ta hiệu chỉnh điện áp sao cho cân bằng trên các loadcell khi không áp dụng được
phương pháp cơ học . Công việc này gọi là chỉnh góc cho Junction Boxes.
Vẫn chọn của hãng Metler Toledo . Model AJB-015: Compact 5 Hole, stainless steel, 4
load cells


Datasheet
Parameter
Type
Model No:
Order No: (CIMF No.)
No of load cells
No of cable entries
Expension possible, max. no of load cells for
1st box
Corner adjustment

unit of
measure

Suitable

Call Free

Cable Diameter
range
Wire gauge

Number of
conductors

Min. Indicator Input
Impedance
Load
Cell
Home Run
Load Cell
Home Run
Load Cell
Home Run
Auxiliary 2)

M
mm (in)
mm (in)
mm2 (AWG)
mm2 (AWG)

AJB-015
71208942
4
5
no
4x Trim Pots

4x Trim Pots

4x Trim Pots

no

no

no

n/a
4-8 (0.160.32)
6-12 (0.240.48)

n/a

n/a
4.8-6.4 (0.190.25)
4.8-9.5 (0.190.48)
3 (12)
3 (12)

n/a
via mounting bolt

Temperature Range

1)

1)
1)

4
wire

Earthing
Sealing
Operating
Safe Storage
Number , Cat 2
Number, Cat 3
3)
ATEX Approval
Rating
Entity Parameters
Recommended
Excitation Voltage
Maximum
Insulation Resistance @50VDC
Breakdown Voltage
Housing
Material
Cable entry fitting
Type
Protection
IP Rating
Weight

Specification

Analogue Junction
Boxes
TB100458
TB100481
61005972
61005973
2-4
2-4
5
6
yes, 3
yes, 4

V AC/DC
V AC/DC
M
V AC
plastic

kg (lb)

1.1 (2.2)

4 or 6 wire
4 or 6
separate bolt
viawire
mounting bolt
sealing wire or
–20 ~sticker

+65 (–4 ~
–40 ~ +150)
+80 (–40 ~
+176)
n/a
n/a
n/a
n/a
10
20
> 5000
> 500
stainless steel
zinc plated steel
rubber gasket
IP 65
3.8 (8.4)
1.7 (3.8)

TB100743-7P
61039987
5-6
7
yes, 5
6x Trim Pots
3x Trim Pots for
pairs
yes
(all 9 jumpers
40 out)

4.8-6.4 (0.190.25)
6.4-9.5 (0.240.48)
4 or 6 wire

separate bolt

plasti
c
1.9 (4.2)

Limited by conduit size

2)

Cable between J-Boxes

3)

See certificate for complete information

Thông số cần chú ý :






No of loadcells : 4
No of cable entries : 5 (1 cho đầu ra và 4 cho loadcell)
Temperature Range : -40 – 80

Excitation Voltage : Recommend 10V . Ta chọn 10V cho cả loadcell và Junction Boxes.
Protection : IP65.

Sơ đồ đấu nối dây như dưới đây :
Tất cả đầu nối của 4 loadcell được nối với Junction Boxes và song song với nhau.
Các dây Excitiation của Loadcell và Junction Boxes sử dụng chung 1 điện áp bằng 10V.
Dây Sense+ và Sense- lần lượt chập với dây Excitaition + và – trên Loadcell.



3. Thiết lập công thức tính điện áp ra :
Ta có với mỗi loadcell : 15 tấn -> 20mV;
Gọi trọng tải xe cần đo là M (kg)
Trọng tải đặt lên mỗi loadcell là M/4(kg)
Điện áp đo được trên mỗi loadcell bằng điện áp trung bình đầu ra Junction Boxes là
M/4/15000 *20mV = M/3000 (mV);
Tín hiệu này quá nhỏ để có thể đưa vào mạch hiển thị . Ta cần khuếch đại tín hiệu lên.
Ta chọn hệ số khuếch đại sao cho cứ 10kg , đầu ra là 1mV.
Như vậy với tải trọng khoảng 40 tấn. Áp đầu ra là 4000mV = 4V là tương đối hợp lý.
Vậy hệ số khuếch đại cần là G = 300.

a .Sử dụng IC INA 125 để khuếch đại tín hiệu ra từ mạch cầu .

Hệ số khuếch đại được tính theo datasheet như công thức 1 .
Với G = 300 .Tính được RG = 203 Ôm.
Tín hiệu Vout thu được bằng M/10 (mV).
Để hiển thị được . Ta cần biến đổi tín hiệu tương tự sang số . Trong trường hợp này ,
cần có bộ ADC có độ phân giải 16 bit là hợp lý.
b. Chọn ADC AD7708 16 bit.

M
( mV )
.(2 16  1)
Công thức cơ bản của ADC . Value  10
VREF ( mV )
Ta cần giá trị đọc được đúng bằng M . Vậy VREF  6553.5mV .
Việc tính toán VREF rất quan trọng , và đặc biệt là tạo ta Vref ổn định, ít nhiễu, ít bị
ảnh hưởng bởi tải mạch ngoài .Công việc này tương đối khó .
AD7708 có hỗ trợ chuẩn giao tiếp SPI. Ta sử dụng chuẩn này để giao tiếp với bất kì vi
điều khiển có hỗ trợ chuẩn này . Từ AVR, PIC, STM… Sau đó đưa ra hiển thị với LCD hoặc
LED.