Bài tập lớn môn kỹ thuật đo lường và cảm biến .ĐỀ TÀI: QUY TRÌNH PHÂN LOẠI VÀ ĐÓNG GÓI BAO BÌ XI MĂNG TỰ ĐỘNG

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN
ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
---------ĐỀ TÀI: QUY TRÌNH PHÂN LOẠI VÀ ĐÓNG GÓI BAO BÌ XI MĂNG TỰ
ĐỘNG
GVHD: HÀ VĂN PHƯƠNG
Sinh viên thực hiện : Lê Hồng Quân

1141240056


Mục Lục

Lời nói đầu................................................................................................................................................................ 3
1. ĐÔI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG............................................................................................ 1
2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐÓNG BAO XI MĂNG TỰ ĐỘNG............................................................................3
2.1. Quy trình đóng bao xi măng tự động đúng yêu cầu khối lượng (49,5 ± 0.5kg)................................................3
2.2 Quy trình phân loại bao xi măng phát hiện phế phẩm và đưa ra vị trị...............................................................6
2.4 Quy trình đếm số lượng sản phẩm mỗi ca làm việc:.........................................................................................7
3. CẢM BIẾN SỦ DỤNG TRONG HỆ THỐNG...................................................................................................... 9
3.1. Cảm biến vị trí và dịch chuyển....................................................................................................................... 9
3.2. Cảm biến trọng lượng Load cell.................................................................................................................... 11
3.3. Cảm biến quang............................................................................................................................................ 22
4. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG.......................................................................................................... 26
5. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ( SỬ DỤNG PLC S7-1200)............................................................................27
6.BÁO CÁO KẾT QUẢ.......................................................................................................................................... 33


Lời nói đầu

Từ những năm 70, nhu cầu xi măng cho xây dựng công nghiệp, cơ sở hạ tầng và
nhà ờ tăng lên nhanh chóng trên thế giới, đặc biệt là sự bùng nổ về đẩu tư phát triển công
nghiệp xi măng tại các nước đang phát triển. Mặt khác để đáp ứng yêu cầu ngày càng
cao của khách hàng về chất lượng, tính đa dạng của xi măng. Vì yêu cầu khắt khe về môi
trường, tiết kiệm năng lượng do giá nhiên liệu tăng nhanh, các nhà nghiên cứu, thiết kế
công nghệ và chế tạo thiết bị không ngừng đầu tư vào việc cải tiến, đổi mới công nghệ và
thiết bị, xi măng ngày càng tiên tiến và có hiệu quả cao.
Hiện nay, kỹ thuật điện, điện tử trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ. Các thành
tựu của kỹ thuật đã thúc đẩy sản xuất phát triển theo xu hướng tự động hóa cao. Các loại
cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển
tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đồi sự thay đồi liên tục các
đại lượng đầu vào không điện thành sự thay đồi các đại lượng đầu ra là đại lượng điện.
Căn cứ vào các đại lượng đầu vào cảm biến được phân ra các loại: cảm biến nhiệt độ,
cảm biến quang, cảm biến trọng lượng, cảm biến vị trí, lực , áp suất,.... Các thiết bị cảm
biến đang dần trờ thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại của chúng ta.
Quá trình đóng bao xi măng lả giai đoạn cuối trong dây chuyền sản xuất xi măng.
Xi măng được sản xuất ra dưới dạng bột dễ hút ẩm và dễ bị hỏng dưới sự tác động của
nước. Ngoài ra, hầu hết các nhà máy xi măng đều được xây dựng ở gần các nguồn
nguyên liệu và xa nơi tiêu thụ nên quá trình vận chuyển xi măng khó khăn. Do vậy việc
đóng bao xi măng là rất cần thiết có ỷ nghĩa quan trọng trong việc hoàn thành sản phẩm
và bảo đảm chất lượng sản phẩm. Hệ thống đóng bao xi măng tự động sử dụng một
lượng lớn các cảm biến và được điều khiển tự động bằng PLC. Do kiến thức còn hạn chế
nên việc nghiên cứu hệ thống đóng bao xi măng còn rất sơ sài, mới chỉ dừng lại ở việc
nghiên cứu các cảm biến được sử dụng trong hệ thống. Rất mong được sự đóng góp ý
kiến từ phía thầy giáo và bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn!


1. ĐÔI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG
Quy trình sản xuất xi măng:

Gồm 6 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Khai thác mỏ.
- Giai đoạn 2: Gia công sơ bộ nguyên liệu.
- Giai đoạn 3: Nghiền, sấy phối liệu sống.
- Giai đoạn 4: Nung Clinker.
- Giai đoạn 5: Nghiền xi măng.
- Giai đoạn 6: Đóng gói xi măng. (Nội dung nghiên cứu )
1.1 Giai đoạn 1: Khai thác mỏ.
Xác định nguồn khoáng sản,thăm dò địa hình và đánh giá chất lượng.
1.2 Giai đoạn 2: Gia công sơ bộ nguyên liệu.
-Đá vôi, đất sét, quặng sắt…được vận chuyển từ mỏ khai thác về nhà máy thường
ở dạng viên tảng có kích thước lớn, nên phải được đập nhỏ trước để tiện cho việc nghiền,
sấy khô, chuyển tải và tồn trữ.
Vật liệu sau khi được đập nhỏ và có độ hạt đồng đều nên giảm được hiện tượng
phân li của độ hạt khác nhau trong quá trình vận chuyển và tồn trữ, có lợi cho việc tạo ra
thành phần liệu sống và sự phối liệu được chính xác. Nhưng trong sản xuất xi măng độ
hạt của vật liệu là hạt vừa, nếu hạt quá nhỏ sẽ làm cho hệ thống đập nhỏ phức tạp thêm.
- Máy đập nhỏ:
+ Đập nhỏ là quá trình làm giảm nhỏ độ hạt của vật liệu bằng phương pháp cơ
học.
+Trước đây, đập nhỏ được chia làm 3 giai đoạn là đập thô, đập vừa và đập nhỏ.
Hiện nay chỉ áp dụng một giai đoạn đập nhỏ đã đạt được đường kính hạt là 1100mm, có
khi còn nhỏ hơn 25mm. Như vậ, hệ thống đập nhỏ đã được đơn giản đi rất nhiều, không
những giảm được vốn đầu tư, giảm ô nhiễm mà còn nâng cao hiệu suất lao động.
- Thiết bị đập nhỏ:
+ Có nhiều kiểu thiết bị đập nhỏ như: kiểu hàm, kiểu cối xay, kiểu trục cán, kiểu
búa…Tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế và trình độ kỹ thuật của từng nước mà sử dụng
thiết bị đập nhỏ phù hợp để mang lại hiệu quả kinh tế cao và dễ vận hành, sửa chữa.
1

+ Thường thì các nhà máy sử dụng máy đập nhỏ kiểu búa đơn quay để đập nhỏ đá
vôi, Mergel, than, Clinker…Ưu điểm của loại máy này năng lực sản xuất lớn, tỉ suất đập
nhỏ cao, cấu tạo đơn giản, thân máy nhỏ, độ hạt đồng đều, dễ thay thế linh kiện. Tuy
nhiên nó cũng có những nhược điểm là: đầu búa, rãnh răng lược, tấm lót chống bị mài
mòn; khi sản xuất tạo nhiều bụi; không thích hợp đập nhỏ các vật liệu bị ẩm ướt hoặc vật
liệu dính.
1.3 Giai đoạn 3: Nghiền, sấy phối liệu sống.
- Sấy phối liệu sống:
+ Phối liệu đã được định lượng gồm đá vôi, đất sét sẽ được nạp vào máy nghiền
đứng. Tại đây phối liệu được nghiền và sấy khô bằng khí thải từ lò nung. Sau khi sấy thì
lượng nước có trong nguyên liệu, chủ yếu là trong đất sét giảm xuống rất nhiều, tạo điều
kiện cho các giai đoạn sau như nung Clinker, tồn trữ xi măng.
- Nghiền phối liệu sống:
+ Sử dụng phương pháp nghiền bi để nghiền phối liệu sống, tỉ lệ chiều dài và
đường kính của máy nghiền bi là 3:1.
+ Đặc điểm của máy nghiền bi thép là:
1. Áp dụng rộng rãi trong việc nghiền vật liệu rắn, năng lực sản xuất lớn.
2. Khi độ hạt liệu vào là 20 ÷ 30mm thì độ nhỏ của sản phẩm có thể đạt tới 0,1mm.
3. Có thể tiến hành nghiền, sấy cùng một lúc.
4. Kết cấu đơn giản, dễ kiểm tra, dễ thay thế linh kiện.
5. Vận hành tốt.
6. Phát ra tiếng ồn khá lớn khi vận hành, tiêu hao nhiều năng lượng trong một đơn vị
sản xuất.
1.4 Giai đoạn 4: Nung Clinker.
Clinker là sản phẩm nung thiêu kết ở 1450oC của đá vôi, đất sét và một số phụ gia
điều chỉnh.
Nung Clinker xi măng là khâu then chốt trong sản xuất xi măng. Nhiệt độ của vật
liệu từ 1300 ÷ 1450 ÷ 1300oC là tiến hành nung Clinker. Khi nhiệt độ của vật liệu đạt
mức trên thì các chất sắt nhôm 4 canxi, nhôm 3 canxi, oxit magie và các chất kiềm bắt

đầu nóng chảy; oxit canxi, silic 2 canxi hoà vào trong pha lỏng. Trong pha lỏng, oxit
canxi, silic 2 canxi xảy ra phản ứng tạo thành silic 3 canxi, đây là quá trình hấp thụ vôi.
Khi đạt 14500C vôi tự do được hấp thụ đầy đủ.
2


Phản ứng:
2CaO.SiO2 + CaO → 3CaO.SiO2
Quá trình giảm nhiệt độ từ 1450→1300 0C là quá trình hoàn thiện tinh thể Alite,
cho tới 13000C thì pha lỏng bắt đầu đông kết, phản ứng tạo thành silic 3 canxi cũng kết
thúc. Lúc này trong vật liệu còn một số oxit canxi chưa hoá hợp với silic 2 canxi, gọi là
oxit canxi tự do.
Sau khi nung thành Clinker phải tiến hành làm nguội. Mục đích là để tăng chất
lượng Clinker, nâng cao tính dễ nghiền, thu hồi nhiệt dư của Clinker, giảm hao nhiệt,
nâng hiệu suất nhiệt của hệ thống nung, giảm nhiệt độ Clinker, thuận tiện cho việc tồn
trữ, vận hành và nghiền Clinker.
1.5 Giai đoạn 5: Nghiền xi măng.
Sau khi làm nguội, Clinker được chuyển lên xilo Clinker. Từ đây, Clinker được
nạp vào máy nghiền xi măng cùng thạch anh và các phụ gia điều chỉnh; hệ thống nghiền
sơ bộ có thiết bị lọc bụi hiệu suất cao.
Mục đích của việc nghiên xi măng: có 2 mục đích
- Xi măng càng mịn thì càng tăng diện tích bề mặt.
- Tăng tính năng thuỷ phân hoá rất mạnh, nó bao bọc cát sạn trong bê tông và dính
kết lại với nhau.
Nhưng thực tế nếu nghiền quá mịn sẽ giảm sản lượng của máy nghiền, tăng tiêu hao
điện năng. Đồng thời, kích cỡ hạt càng mịn thì khi tồn trữ dễ mất đi hoạt tính, giảm độ
bền vững của bê tông. Vì vậy độ mịn của xi măng được khống chế trong khoảng 88µm,
dư trên rây khoảng 5→10%.
1.6 Giai đoạn 6: Đóng gói xi măng.
Sau khi nghiền, xi măng chưa thể xuất xưởng ngay mà phải qua tồn trữ trung gian.

Nhiên liệu được cấp cho các vòi phun qua khâu trung gian,từ đây các vòi phun sẽ cấp
nhiên liệu để đóng bao.
Sau khi đóng bao các bao sẽ được vận chuyển về kho bằng băng tải, hoặc được
vận chuyển trực tiếp lên xe để vận chuyển đến nơi tiêu thụ.
2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐÓNG BAO XI MĂNG TỰ ĐỘNG.
2.1. Quy trình đóng bao xi măng tự động đúng yêu cầu khối lượng (49,5 ± 0.5kg)

3


a. Quy trình
Xi măng dạng bột ở thùng chứa xi măng được đưa xuống buồng chứa trung gian.
Buồng chứa trung gian có chức năng chứa xi măng để cung cấp cho vòi phun. Tại buồng
chứa sử dụng các con cảm biến mức dạng tiếp điểm. Khi xi măng bột dâng cao đến một
độ cao nhất định, thì tiếp điểm của cảm biến tác động và khi xuống thấp quá cho phép thì
cảm biến lại tác động để xi măng từ thùng chứa nạp vào buồng chứa trung gian.
Mô hình như hình vẽ:

Hình thùng chứa
Xi măng từ buồng chứa trung gian được đưa đến các vòi phun. Trên các vòi phun
được gắn các pittong khí nén và các van đóng mở để điều khiển lượng xi măng qua vòi
phun. Các vòi phun được gắn cảm biến vị trí tiệm cận để nhận biết vỏ bao xi măng được
đưa vào phía dưới. Bên cạnh các vòi phun là hệ thống đưa bao vào và kẹp mở miệng
bao, khi vỏ bao đến phía dưới vòi phun thì tác động lên cảm biến vị trí trên vòi phun,
cảm biến này tác động lên vòi phun. Vòi phun hạ xuống, mở các van trên vòi xả xi măng
vào bao. Ở đây đặt hệ thống cân sử dụng cảm biến trọng lượng Load cell dùng để đo
4


trọng lượng của bao. Tín hiệu ra của cảm biến tác động lên bộ điều khiển điều khiển các

van đóng mở vòi phun để các bao xi măng đạt được khối lượng định trước là 49,5 ±
0.5kg. Bao xi măng đã đủ khối lượng đưa tới khâu may bao để đóng kín bao xi măng.
Bao khi đóng gói xong thông qua hệ thống băng truyền đưa về kho lưu trữ hoặc đưa trực
tiếp ra xe vận chuyển đến nơi tiêu thụ.

Hình. Buồng chứa trung gian
1: Phễu cấp bột liệu
1.1, 1.2: Cơ cấu đóng mở phễu nhiên liệu.
2: Cảm biến mức dạng tiếp điểm điều khiển cơ cấu đóng mở phễu

5


b. Phân tích thiết bị hệ thống
+ Bộ phận cảm biến mức
+ Bộ phận động lực truyền tải
+ Bộ phận cảm biến nhận diện vị trí
+ Bộ phận cảm biến trọng lượng Load cell
+ Bộ phận đóng gói sản phẩm
2.2 Quy trình phân loại bao xi măng phát hiện phế phẩm và đưa ra vị trị.
a. Quy trình :
Các bao xi măng khi đã được đổ đầy xi măng và đóng gói sẽ đi qua 1 khâu kiểm
tra trọng lượng đã được định trước là 49.5kg với sai số khoảng 0.5 Kg. Các bao xi
măng nào không đạt chất lượng sẽ bị đẩy ra bởi cơ cấu phân loại và đưa trên băng tải
đến vị trí cố định với yêu cầu <0.1%.Các bao xi măng đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển
đi tiếp về kho hoặc đến nơi tiêu thụ.
b. Phân tích thiết bị hệ thống :
+ Bộ phận động lực truyền tải
+ Bộ phận cảm biến khối lượng
+ Bộ phận phân loại sản phẩm

2.3 Sơ đồ khối hệ thống:

6


2.4 Quy trình đếm số lượng sản phẩm mỗi ca làm việc:
a. Quy trình :
Các bao xi măng đạt tiêu chuẩn được băng tải đưa về kho hay đưa đi tiêu thụ, cảm
biến quang được gắn trên băng tải có vai trò nhận biết sản phẩm, đếm số lượng sản phẩm
và đưa ra số liệu hiển thị trên màn hình.
b. Phân tích thiết bị hệ thống :
+ Bộ phận động lực truyền tải
+ Bộ phận cảm biến quang (đếm số lượng )
+ Bộ phận hiển thị số lượng

7


Quy trình đếm sản phẩm

Cảm biến quang

c. Các yêu cầu của hệ thống
+) Khả năng làm việc lâu dài và liên tục.
+) Có thể nhận biết thông minh các trường hợp ngoại lệ (như các bao liền nhau, các bao
gối lên nhau,….).
+) Có thể ghép nối, kết hợp với các thiết bị khác đẻ cùng hoạt động.
+) Có thể quản lí từ xa, thuận lợi điều khiển.
+) Giá thành phải rẻ nhưng đảm bảo chất lượng tốt.

Trong đó CB1, CB2, CB3, CB4 là các cảm biến quang (phát ra tia hông ngoại) có vai trò
giống nhau và được đặt trên 4 băng tải. Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên thu phát
hồng ngoại. Một điện áp cố định được cung cấp cho phần tử phát hồng ngoại, như vậy
với mạch thu được thiết kế thì mỗi bao xi măng đi qua sẽ nhận được một xung, trong
trường hợp hai bao liền nhau thì xung nhận được có độ rộng lớn hơn, việc xác định

8


chính xác các độ rộng xung này được thực hiện bằng thực nghiệm tại hiện trường nhà
máy. Thiết kế mạch thu phát được trình bày trên hình sau:

Tín hiệu lấy ra sau cảm biến được đưa đến mạch chuẩn hoá (CĐCH) với mục đích tạo ra
tín hiện thích hợp để đưa đến module vào số của bộ điều khiển khả trình PLC
(Programmable Logic Controller).
3. CẢM BIẾN SỦ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
Hệ thống sử dụng nhiều cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Dưới đây là các cảm
biến được sử dụng trong hệ thống:
1. Cảm biến vị trí và dịch chuyển
2. Cảm biến trọng lượng Load cell
3. Cảm biến quang
3.1. Cảm biến vị trí và dịch chuyển
a. Cảm biến tiệm cận nói chung:
- Định nghĩa: Là một loại cảm biến dùng để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của
một vật thể với cảm biến điện từ không tiếp xúc.
- Đặc điểm:
+ Phát hiện vật không cần tiếp xúc
+ Tốc độ đáp ứng nhanh
+ Đầu sensor nhỏ, có thể lắp nhiều nơi
+ có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

9


- Phân loại : 3 loại
+ Cảm biến tiệm cận điện cảm
+ Cảm biến tiệm cận điện dung
+ Cảm biến tiệm cận siêu âm
 Chúng ta chỉ tìm hiểu về hai loai là điện cảm và siêu âm vì hai loại này có thể áp dụng
vào hệ thống.
b. Phân tích nguyên lý và chức năng
b.1. Cảm biến tiệm cận điện dung :
-

Về hình dạng, kích thước, nguyên lý thì cảm biến tiệm cận điện dung giống cảm biến
tiệm cận điện cảm chỉ khác cảm biến tiệm cận điện dung tạo vùng điện trường còn
cảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường

-

Cảm biến tiệm cận điện dung còn có thể phát hiện những vật thể là kim loại hoăc
không phải là kim loại.

-

Dựa vào sự thay đổi điện dung khi vật thể xuất hiện trong vùng điện trường. Từ sự
thay đổi này trạng thái ngõ ra “ON” hay “OFF” của tín hiệu ngõ ra được xác định.
Một bản cực là thành phần cảm biến đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại.

-

Cảm biến tiệm cận điện dung cũng chia ra làm 2 loại:
+ Shielded (được bảo vệ)
+ Unshielded (không dược bảo vệ)

b.2. Cảm biến siêu âm :
-

Cảm biến siêu âm có thể phát hiện hầu hết các đối tượng kim loại, không phải kim
loại, chất lỏng, chất rắn, vật trong hay mờ đục.

-

Cảm biến siêu âm hoạt đông dựa theo đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số. Thời
gian sóng âm thanh từ cảm biến đến đối tượng và quay lại liên hệ trực tiếp đến độ dài
quãng đường.Vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng để đo khoảng cách quãng
đường.

-

Tần số hoạt động trong công nghiệp thường là từ 25khz đến 500khz

-

Vùng hoạt động là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ
nhất.

10


3.2. Cảm biến trọng lượng Load cell

3.2.1. Vài nét về cảm biến biến dạng strain gage:
Load cell: là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu
điện. Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của
lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.

Hình ảnh về strain gage

11


Cảm biến trọng lượng hay còn gọi là load cell được cấu tạo bởi các strain gage bao
gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi.Để tăng chiều dài của
dây điện trở strain guge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến
dạng khi bị lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain
gage. Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất ρ (thường dùng hợp kim
của Niken) có chiều dài l và có tiết diện s, được cố định trên một phiến cách điện như
hình vẽ:

Khi đo một biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt strain
gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt thiết bị biến dạng thì strain gage cũng bị
biến dạng. Điện trở của cảm biến sẽ thay đổi (tỉ lệ với lực tác động) :

Khi cảm bến bị biến dạng do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của
cảm biến thay đổi một lượng ΔR:

Trong đó:

- Δl là biến thiên chiều dài dây dẫn,
-Δρ là biến thiên điện trở suất của dây dẫn
-Δs là biến thiên tiết diện dây dẫn, R là điện trở cảm biến khi chưa bị biến

dạng.

12


Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây. Nếu dây dẫn hình
chữ nhật có các cạnh a,b hoặc dây dẫn tròn có đường kính d thì quan hệ giữa biến dạng
dọc và ngang của dây như sau:

Trong đó v là hệ số Poisson. Trong vùng đàn hồi , v ≈0,3. tiết diện s của dây s =
a.b = Π.l2/4 nên :

Sự thay dổi của điện trở suất của dây dẫn theo quan hệ:

Trong đó C là hằng số Bridman. V = l.s. ΔV là thể tích và lượng biến thiên thể tích
của dây dẫn.
Từ đó ta được:

Với K = ( 1 + 2v + C – 2Cv ).
● Mạch đo dùng strain gage :
Trường hợp dùng 2 strain gage thì Rx1 sẽ là strain gage nén
( Rx1 = R - ΔR), Rx2 là strain gage giãn ( Rx2 = R + ΔR).
Mạch đo:

a. Mạch đo dùng một strain gage

b. Mạch đo dùng 2 strain gage
13

Mạch a điện áp V0 là:

Mạch đo dùng 2 strain gage điện áp V0 là:

R= Điện trở strain gauge (Ohm)
L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)
S = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)
p= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge
3.2.2. Phân tích Cảm biến trọng lượng load cell:
a.Cấu tạo Load cell
- Load cell là một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không gỉ được
xử lí đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage. Khi vật chứng bị biến dạng dưới
tác dụng của trọng lượng tác động vào load cell thì có thể 2 hoặc 4 strain gage bị tác
động. Tùy vào dạng của vật chứng ta có các loại load cell.

14


Các strain gage trong load cell được kết nối thành một mạch cầu Wheastone như
hình vẽ. Các strain gage trong mạch cầu có tác dụng bù ảnh hưởng của nhiệt độ.

Kết nối các strain gage trong load cell
Khi không bị tác động, điện trở của các strain gage bằng nhau, cầu ở trạng thái cân
bằng. Khi bị tác động, vật chứng bị biến dạng, các strain gage thay đổi điện trở làm
cầu bị lệch và xuất hiện ở ngõ ra một điện áp V0.
+ Khi load cell có 2 strain gage tích cực ( R2, R4 giãn, R1, R3 cố định)

Thường thì giá trị của ΔR << R nên biểu thức trên có thể viết lại :

+ Khi load cell có 4 strain gage tích cực (R1 =R4 =R+ΔR, R1 =R3=R+ ΔR) điện áp ra

của cầu V0:
15


Từ đây ta thấy điện áp ngõ ra của cầu tỷ lệ với lượng thay đổi diện trở của strain
gage.
- Mạch tương đương của load cell:
Từ sơ đồ kết nối ta có sơ đồ tương đương Thevenin của load cell như hình dưới.
Trong đó Rtd là tổng trở tương đương của mạch khi ngắn mạch nguồn cung cấp. V 0 là
điện áp ở ngõ ra của load cell khi hở mạch.

Trong hệ thống sử dụng nhiều load cell, việc kết nối nhiều load cell vào một cơ
cấu chỉ thị phải đảm bảo sao cho cùng một khối lượng tác động vào các load cell thì
chỉ số trên cơ cấu chỉ thị phải như nhau. Để đảm bảo được yêu cầu này thì các load
cell phải được nối vào mạch cộng tín hiệu trước khi đưa về đầu cân để xử lý. Vì mỗi
load cell có một độ nhạy khác nhau cho dù cùng loại nên Junction Box có 4 biến trở
điều chỉnh để các load cell cùng ra một sai lệch điện áp đối với cùng một tải trọng.
Các biến trở này được mắc vào nguồn cung cấp cho load cell vì thay đổi áp nguồn
cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp ra. Ngoài ra có thể cộng các tín hiệu lại với
nhau, người ta dùng thêm một điện trở mắc ở ngõ ra của các load cell. Sơ đồ nguyên
lý của Junction Box như hình vẽ:

16


Sơ đồ kết nối một load cell và mạch tương đương Thevenin

Sơ đồ Junction Box 4 load cell

17

Ta có sơ đồ thay thế mạch của mạch Junction Box :

- Khi nối thêm biến trở chỉnh nguồn và điện trở cộng tín hiệu vào load cell, thì điện
áp ngõ ra của mỗi load cell :

Gọi U = Sig(+) – Sig(-) là điện áp ngõ ra của Junction Box, R td2, Rtd3, Rtd4 là tổng trở
tương đương của mỗi load cell ta có :

Nếu tổng trở tương đương của các load cell là giống nhau thì ta có:

18


b. Nguyên lý cân của cảm biến
Khi vật thể được đưa lên cảm biến trọng lượng khi đó cảm biến sẽ có vai trò đo sự
biến dang bị gây ra bởi trọng lượng của vật đo gây nên làm biến dạng các tiếp điểm điện
trở strain gauge. Điện áp đầu ra đo được sẽ chuyển thành trọng lượng của vật đo đó chính
là tác dụng của cảm biến trọng lượng. Nhưng muốn tìm được khối lượng vật đo ta cần
xác định được gia tốc tại thời điểm đo vật với mỗi nhà máy tại nơi cân sản phẩm thì đều
gắn 1 thiết bị đo gia tốc tai nơi xây dựng nhà máy.
c. Ứng dụng thực tế của cảm biến load cell:
Load cell được sử dụng trong hệ thống cân như cân oto, cân định lượng trong các
hệ thống trộn phối liệu: bê tông, thức ăn gia súc, xi măng…., các hệ thống cân đóng bao.
Ngoài ra còn có thể dùng để đo lực, đo mômen…
Trong hệ thống đóng bao xi măng tự động sử dụng load cell để kiểm tra khối
lượng bao xi măng đảm bảo yêu cầu. Ở đây sử dụng loại cảm biến Load Cell SBA sau:

19

Kích thước thân:

Chất liệu : thép mạ kẽm
Dây cáp: bện 4 dây cáp tròn có bọc lớp Urethane.
Đây là cảm biến SBA load cell do hãng DG cell sản xuất với các thông số kỹ thuật
sau:

20


Khối lượng tối đa

Kg

50, 100,
200, 250,
500,
1tf, 2tf,
3tf,

Cấp chính xác

D3

C3

Sai số

%

0,03

0,02

Tính lặp lại

%

0,01

0,01

Độ biến dạng trong 30 phút

%

0,03

0,017

Giá trị 0

%/100C

0,028

0,014

Giá trị đầu ra

%/100C

0,015

0,011

Trung bình

V

10

Cực đại

V

15

Đầu vào

Ω

400 ± 25

Đầu ra

Ω

350 ± 3,5

MΩ

> 2000

C

-10 -> +40

C

-30 -> +80

Ảnh hưởng nhiệt độ

Kích thích

Điện trở

Cách điện
Bù nhiệt độ hoạt động

0

Nhiệt độ hoạt động

0

21

3.3. Cảm biến quang
3.3.1 -Nguyên lý của CB quang:
- Truyền đạt thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại thành tín hiệu điện.
- Dựa vào tính chất của ánh sáng:
+Ánh sáng có 2 tính chất:
•Tính chất sóng
•Tính chất hạt
+ Tính chất sóng của ánh sáng được thể hiện ánh sang cũng có tốc độ di chuyển và
bước sóng riêng. Các dạng sóng này di chuyển trong chân không với tốc độ c 299792
km/s (khoảng 300.000 km/s). Trong vật chất ánh sáng có vận tốc V = c/n (n là chiết suất
của môi trường). Tần số V và bước sóng λ có liên hệ với nhau.
+ Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua các hạt photon mang năng lượng.
Cấu trúc chung của cảm biến quang:

- Nguồn sáng: phát ra các tia sóng ánh sáng
- Bộ thu: có thể là photodiode hoặc phototransitor
- Khi có đối tượng di chuyển vào đường đi sóng của ánh sáng, dựa trên sự thay đổi
của sóng ánh sáng cảm biến có thể phát hiện sự xuất hiện, hình dạng kích thước, tính
phản xạ, sự trong hay mờ, và màu sắc của đối tượng.
- Nguồn sáng:
•Đèn đốt wonfram
•Diod phát quang (LED)
•Laser
22