Tìm hiểu, phân tích và thực hiện hệ thống cân tải trọng ô tô

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN
HỌC PHẦN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU, PHÂN TÍCH VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG
CÂN TẢI TRỌNG Ô TÔ

HÀ NỘI, 2018


LỜI NÓI ĐẦU
Môn học Kỹ thuật đo lường và cảm biến trình bày các kiến thức về kỹ thuật đo
dùng trong ngành điện hiện nay. Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho các
ngành sản xuất công nghiệp.
Kỹ thuật đo lường và cảm biến là môn học nghiên cứu các phương pháp đo các
đại lượng điện: điện áp, dòng điện, công suất,… và đại lượng không điện: nhiệt độ, độ
ẩm, vận tốc…
Bài giảng Kỹ thuật đo lường và cảm biến được biên soạn dựa trên các giáo trình
và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh
viên các ngành: Điện công nghiệp, Điện dân dụng, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật
Thông tin, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông.
Về đề tài nghiên cứu:
Ngày nay cân điện tử đang ngày một được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ
thuật, công nghiệp thay cho các loại cân cơ học. Ô tô, xe tải là những máy móc có
trọng tải lớn vì vậy việc cân tải trọng của xe không thể sử dụng cân cơ học, thay vào
đó là cân ô tô điện tử . Cân ô tô điện tử là một thiết bị quan trọng trong các ngành công
nghiệp. Nó vừa chính xác, tiện lợi, tiết kiệm và là thiết bị không thể thiếu ở Việt Nam
hiện nay.

Sau đây, nhóm chúng em xin thực hiện nội dung về hệ thống cân tải trọng ô tô
với những yêu cầu sau:
-

Dải cân (50- 180 tấn)
Bàn cân bằng kim loại
Sai số của phép đo là 0,5%


MỤC LỤC


CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
1.1.

Tìm hiểu chung
Hệ thống cân ô tô hoạt động dựa trên công nghệ cân điện tử. Khi có áp lực của

trọng tải xe lên mặt cân, các cảm biến (Loadcell) sẽ nhận tín hiệu và truyền đến hộp
nối dây – hộp cộng tín hiệu (Junction Box). Tại đây các tín hiệu từ các Loadcell sẽ
được cộng lại và chia trung bình để tìm ra giá trị khối lượng của xe. Giá trị này sẽ
được hiển thị qua màn hình thông qua một bộ chuyển đổi và hiển thị, đó là Đầu cân –
Chỉ thị cân (Indicator). Hệ thống sẽ được kết nối với máy vi tính để diều khiển và quản
lý số liệu bằng phần mềm chuyên dụng của cân ô tô.
Bộ phận chính có nhiệm vụ xác định giá trị trọng tải xe trong hệ thống cân ô tô là
bộ phận cảm biến gồm các Loadcell được kết nối với nhau. Loadcell nhờ vào cơ cấu
các cảm biến đo có dạng áp trở (Tenzo) gắn trên nó.
Nhiệm vụ của đề tài

1.2.

-

Tìm hiểu tổng quan hệ thống.
Phân tích công nghệ và đưa ra các nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện của bài

toán.
- Vẽ sơ đồ khối nguyên lý hệ thống.
- Xây dựng mô hình hệ thống bao gồm các thiết bị, khâu chức năng.
- Lựa chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống như cảm biến, bộ điều
khiển, cơ cấu chấp hành,… (nhiệm vụ, hình ảnh, nguyên lý làm việc,
thông số kĩ thuật của thiết bị).
- Sơ đồ đấu nối hệ thống.
- Chương trình điều khiển.

4


CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1.

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống. Phân tích công nghệ và các nhiệm vụ cụ

thể cần thực hiện của hệ thống
2.1.1. Cảm biến áp trở Tenzo
a) Nguyên lý hoạt động
Càm biến áp trở hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở( Piezo resistive effect): “Khi
vật dẫn chịu biến dạng cơ học thì điện trở của nó thay đổi”.
Như ta đã biết thì điện trở của một vật dẫn được tính bằng biểu thức

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng .

Ta có:

Coi là lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng
là lượng biến thiên tương đối theo chiều dài
là lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất
là lượng biến thiên tương đối theo tiết diện
Ta có thể viết lại dưới dạng
Trong cơ học ta có và
Với

là hệ số Poisson
là hệ số Bridman
là thể tích
là lượng biến thiên tương đối theo thể tích

Mặt khác
Do đó với m là hệ số
Từ các biểu thức trên ta có:
với K là độ nhạy của cảm biến áp trở
5


- Với vật liệu lỏng( thủy ngân, chất điện phân) có K=2
- Với kim loại có K=0,5÷4
- Với chất bán dẫn K=100÷200
b) Phân loại
*, Cảm biến áp trở kim loại
+, Áp trở dạng dây mảnh: gồm có dây dẫn điện trở uốn hình răng lược, đường kính
0,02÷0,03 mm. 2 đầu dây hàn với 2 lá đồng berin hoặc đồng photpho để nối với

mạch đo. Hai phía dán 2 tấm giấy mỏng 0,1 mm hoặc nhựa polymide 0,03 mm
để cố định hình dáng dây. Chiều dài dây ( là độ dài một đoạn dây, là số đoạn
dây).
+, Áp trở dạng lá mỏng: là một lá rất mỏng có độ dày 4 ÷ 12μm làm từ hợp kim
constantan, chế tạo theo phương pháp ăn mòn quang học. Ưu điểm là có kích thước
nhỏ, hình dáng linh hoạt, độ nhạy lớn, ít chịu biến dạng ngang do chế tạo và điện trở
lớn.
+, Áp trở dạng màng mỏng: chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại có độ nhạy
cao bám vào một khung định dạng trước. Ưu điểm là có thể chế tạo hình dáng phức
tạp, kích thước nhỏ, điện trở ban đầu lớn, độ nhạy cao.
*, Cảm biến áp trở bán dẫn
+, Áp trở loại cắt: là một mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể pha tạp. Các mẩu cắt này được
gắn lên một giá đỡ bằng nhựa có chiều dài l=0,1÷5 mm

+, Áp trở loại khuếch tán: được tạo nên bằng cách khuếch tán tạp chất như Sb, Ga,…
vào một phần của đế đơn tinh thể Si đã pha tạp. Tùy theo loại tạp chất khuếch tán mà
ta có áp trở loại n hoặc loại p

6


7


2.1.2. Cấu tạo cơ bản của hệ thống cân tải trọng ô tô
a) Bàn cân

Bàn cân là thiết bị trực tiếp chịu tải trọng của xe, là nơi gắn các cảm biến, hộp
nối dây. Bàn cân có nhiều kích thước khác nhau tùy vào mức cân mà người sử dụng
mong muốn.

Kích thước bàn cân thường sử dụng là:
3m x 8m: thường dùng 4 Loadcell, mức cân tối đa 30 tấn
3m x 10m: thường dùng 4 Loadcell, mức cân tối đa 50 tấn
3m x 12m: thường dùng 6 Loadcell, mức cân tối đa 60 tấn
3m x 14m: thường dùng 6 Loadcell, mức cân tối đa 80 tấn
8


3m x 16m: thường dùng 6 Loadcell, mức cân tối đa 100 tấn
3m x 18m: thường dùng 8 Loadcell, mức cân tối đa 120 tấn
b) Loadcell
Một số loại Loadcell

Mô hình
lắp đặt vị trí các Loadcell trên bàn cân như hình vẽ dưới
đây( cho hệ thống cân dùng 6 Loadcell)

*, Cấu tạo
9


Loadcell gồm có trụ thép – chịu tác động trực tiếp của trọng lượng và 4 cảm biến
áp trở được gắn trên trụ thép, các áp trở được nối theo mạch cầu 4 nhánh.

*, Nguyên lý hoạt động
Cấu tạo chính của Loadcell gồm các điện trở Strain gauges R1, R2, R3, R4 kết
nối thành một cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân
Loadcell.

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào Loadcell (2 góc (2) và (3) của

cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc
khác. Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không
hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.
10


Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân Loadcell làm cho thân Loadcell bị
biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi
kim loại của điện trở Strain gauges dán trên thân Loadcell dẫn đến một sự thay đổi
giá trị của các điện trở Strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp
đầu ra. Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành
số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân).
Công nghệ giới thiệu trên là công nghệ Analog. Hiện nay, ngoài công nghệ
Analog, trong các hệ thống cân ô tô còn sử dụng công nghệ Digital.

11


Digital Loadcell có bộ vi xử lý riêng với công nghệ kĩ thuật số, tiến hiệu suất ra
là tín hiệu số. Ngoài ra Digital Loadcell có bộ chống sét riêng nên có thể hoạt động tốt
trong những ngày mưa bão.
Công nghệ cân
Độ chính xác

Analog

Digital

Thấp hơn

Cao hơn

Không

Có

Chống sét, chống nhiễu

Không

Có

Tuổi thọ, độ bền

Thấp hơn

Cao hơn

Bảo trì

Khó hơn

Dễ hơn

Hiệu quả kinh tế

Thấp hơn

Cao hơn

Không

Có

Tự động điều chỉnh các
thông số môi trường

Dữ liệu cân lưu ở
Loadcell

So sánh công nghệ cân Analog và công nghệ cân Digital

c) Hộp nối dây – Hộp cộng tín hiệu( Junction Box)
Hộp nối dây là nơi kết nối các Loadcell với nhau, tùy từng loại mà có thể kết hợp
4, 6, 8,… Loadcell lại với nhau.

12


Nguyên tắc của hộp nối dây là cộng tất cả các tín hiệu Loadcell nối vào nó rồi
chia trung bình để tìm ra khối lượng chính xác của vật cần cân.
Tín hiệu J-Box sẽ truyền đến đầu cân( Indicator).
d) Đầu cân – Chỉ thị cân( Indicator)
Đầu cân là thiết bị nhận tín hiệu từ Loadcell thông qua hộp nối dây và thực hiện
chuyển đổi A/D( Analog – Digital), từ đó hiển thị thông số nhờ vào vi mạch và phần
mềm trong nó. Thông thường Indicator cũng là bộ phận cấp nguồn cho Loadcell.
Đầu cân được kết nối với máy tính và truyền dữ liệu thông qua cổng giao tiếp
truyền thông RS 232. Trên đầu cân có máy in để in phiếu cân. Nguồn cấp cho đầu cân
có thể dùng pin hoặc nguồn xoay chiều 220V.

Ứng dụng công nghệ Digital cũng có loại Indicator chuyên việt. Loại này không
thực hiện chuyển đổi A/D nữa mà nhận trực tiếp tín hiệu từ Loadcell để xử lý. Digital
Indicator có khả năng kết nối nhiều Loadcell hơn Analog Indicator.

13


2.1.3. Phân loại hệ thống cân tải trọng ô tô
Tùy thuộc vào mặt bằng bố trí cân, môi trường và mục đích sử dụng cân nên ta
có thể phân ra 3 hệ thống tải trọng cân ô tô cơ bản.
Cân nổi
- Dễ dàng vệ sinh lắp đặt
và hiệu chỉnh, sửa chữa
- Chiếm nhiều diện tích
( do có 2 dốc lên xuống
cân)
- Chịu ảnh hưởng nhiều từ
môi trường
- Thoát nước tốt

Cân chìm
- Khó vệ sinh lắp đặt hiệu
chỉnh, sửa chữa
- Chiếm ít diện tích
- Chịu ảnh hưởng của môi
trường ít hơn cân nổi
- Thoát nước kém dễ bị
ngập cân
- Thẩm mỹ tốt hài hòa với
môi trường xung quanh

- Chi phí hầm cân cao

Cân nửa chìm
- Khó vệ sinh lắp đặt hiệu
chỉnh sửa chữa
- Chiếm diện tích trung
bình
- Chịu ảnh hưởng của môi
trường ít hơn cân nổi
- Thoát nước kém dễ bị
ngập cân
- Thẩm mỹ hơn cân nổi
- Chi phí hầm cân cao

- Tính thẩm mĩ kém
- Chi phí móng cân thấp

+, Cân ô tô nổi có toàn bộ bàn cân trên mặt bằng

+, Cân ô tô chìm có toàn bộ bàn cân chìm xuống dưới mặt bằng, cụ thể là mặt
bàn cân ô tô có thể bằng mặt bằng lắp cân hoặc thấp hơn mặt bằng lắp cân

14


+, Cân ô tô nửa chìm là cân có một phần bàn cân chìm xuống đất và một phần
nổi lên mặt đất

2.2.

Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống
15


Tải trọng xe lên bàn cân

Loadcell

Junction Box

Indicator

Chuyển đổi A/D

Hiển thị số

Truyền nhận dữ liệu

Cáp truyển đổi
Cổng giao tiếp

Bảng LED

Máy tính

Máy in

16

2.3.

Mô hình hệ thống

17


18


19


2.4.

Lựa chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống
Yêu cầu chung

+, Mức cân: 100 tấn
+, Bàn cân bằng kim loại
+, Sai số của phép đo là 0,5%( ứng với 500 kg)
2.4.1. Tổng quan các thiết bị cần thiết và chức năng
a) Các thiết bị cần thiết
- 6 cảm biến lực Loadcell
- 1 bàn cân thép
- 1 hộp nối dây Junction Box
- 1 đầu cân Indicator
- 1 bảng đèn LED hiển thị
- 1 bộ máy tính và máy in
Các thiết bị phụ trợ kèm theo: bộ chống sét, bộ cáp điện, bộ giảm chấn.

b) Chức năng của từng thiết bị

Tên thiết bị

Chức năng

Số lượng
20


Cảm biến lực
(Loadcell)
Bàn cân thép

Cảm biến áp lực trọng tải xe và truyền

6

tín hiệu về đầu cân
Là nơi lắp đặt các cảm biến và chịu

1

trọng tải xe

Hộp nối dây
(Junction Box)

Nối các cảm biến

1

Đầu cân( Indicator)

Nhận tín hiệu từ bộ cảm biến và xử lý

1

Bảng đèn LED

Hiển thị khối lượng

1

Bộ máy tính và máy in

Điều hành lưu trữ và in phiếu cân

1

2.4.2. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống
a) Lựa chọn kiểu hầm móng
Để dễ dàng bảo trì và sửa chữa, ta sẽ chọn kiểu cân nổi.

b) Lựa chọn kích thước bàn cân
Với mức cân tối đa là 100 tấn, ta sẽ lựa chọn kích thước bàn cân là 3m x 16m
c) Lựa chọn khung bàn cân và bàn cân
*, Khung bàn cân
Khung bàn cân là bộ phận đảm bảo sự vững chắc và ổn định lâu dài của hệ thống
cân. Hiện nay có 2 loại kết cấu khung bàn cân

-

Loại kết cấu tôn dập chữ U, chữ C, giá thành rẻ nhưng độ bền không cao,
thích hợp cho dự án ngắn hạn
21


-

Loại kết cấu chữ I bằng thép đúc nhập khẩu, độ bền cao, thích hợp cho những
dự án lâu dài

Trên cơ sở đó, ta nên chọn loại kết cấu chữ I bằng thép đúc để phục vụ cho nhu cầu lâu
dài.

Các thông số khung và bàn cân như sau:
-

Dầm chịu lực dọc I-600
Dầm chịu lực ngang I-200
Bàn cân bằng thép, tôn, mặt sàn dày 10mm. Bàn cân được sơn chống gỉ,
chống oxi hóa và phủ màu đảm bảo thẩm mĩ.

22


d) Lựa chọn thiết bị
Hiện nay Mettler-Toledo là tập đoàn hàng đầu thế giới về lĩnh vực này nên các
thiết bị đồng bộ của hãng đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị.
+, Cảm biến lực Loadcell 0782

-

Tải trọng 20 tấn/1 cái
Đạt tiêu chuẩn OIML R60 C30 và NTEP 10000
Khối lượng nhẹ, dễ dàng lắp đặt
Được sản suất bằng thép không rỉ đặc biệt
Được thiết kế chống xoay
Chức năng tự cân bằng
Điện áp biến đổi 2mV
Điện áp kích thích 20VDC/VAC max
Điện trở đầu vào 1165Ω
Điện trở đầu ra 1000Ω
Điện trở cách điện 5000MΩ
Quá tải an toàn 125%
Quá tải hư hỏng 300%
Nhiệt độ làm việc -30°C đến 65°C
Tiêu chuẩn an toàn IP 68( có khả năng ngâm dưới mực nước sâu 1 mét trong
120 giờ)

+, Chỉ thị cân Indicator IND246
-

Độ phân giải theo tiêu chuẩn TCCE, OMIL
Hiển thị màn hìn LCD
Cổng kết nối vi tính RS 232/485/422
Điện áp làm việc 100VDC – 200VAC
23


+, Bảng LED hiển thị số DPM 5 Keli

-

Kích thước 600mm x 200mm x 150mm
Bảng LED 6 số
Chuẩn giao tiếp RS232C
Tốc độ baud từ 1200 đến 38400
Tầm nhìn xa >20m

+, Hộp nối dây
-

Vỏ làm bằng INOX, hoạt động tốt trong các môi

-

trường khắc nghiệt
Có các loại 4 Loadcell, 6 Loadcell, 8 Loadcell, 10
Loadcell

24


+, Bộ chống sét ILC36V
-

Thiết bị chống sét ILC36V để bảo vệ các Loadcell khỏi bị sét đánh lan truyền
qua đường tín hiệu Loadcell bảo vệ cân điện tử. Thiết bị được thiết kế để
chống lại các hiện tượng dâng điện áp qua đường tín hiệu điện tử, khi điện áp
dâng đi qua thiết bị sẽ ngắt đi phần tăng đột biến và xả xuống đất thông qua

-

hệ thống tiếp địa.
Điện áp kích thích
Chế độ bảo vệ
Dòng cắt sét
Kích thước
Định mức môi trường

Max 32VDC
Diode
150A dạng xung 8,20µs
110 x 80 x 67 mm
IP65

25