Tài liệu Bộ mã hoá siêu bền làm việc trong môi trường khắc nghiệt pptx

Bộ mã hoá siêu bền làm việc trong môi
trường khắc nghiệt
Các bộ mã hoá quang hạng nặng yêu cầu phải được thiết kế khéo léo và một
cấu trúc bền vững để có thể làm việc được trong những môi trường khắc
nghiệt. Bộ mã hoá công nghiệp truyền thống, dù gia tăng hay tuyệt đối, có
thể đáp ứng yêu cầu trong nhiều ứng dụng điều khiển chuyển động của
ngành công nghiệp nói chung. Tuy nhiên, những linh kiện này dường như
hay bị lỗi khi vận hành trong môi trường bị chất ô nhiễm xâm nhập, môi
trường có va chạm, va đập mạnh, môi trường rung hay khi bị nhấn ch
ìm lâu
ngày trong ch
ất lỏng, khi chịu tác động tẩy rửa mạnh hoặc trong môi trường
nhiễu EMI.
Rất nhiều nhà máy sản xuất công nghiệp thích sử dụng bộ mã hóa có sẵn
tiêu chuẩn mà không xem xét đến va chạm toàn phần trong môi trường máy
vận hành. Khi bộ mã hóa này bị lỗi, thiệt hại trong sản xuất do bộ mã hóa
ng
ừng hoạt động gây ra nhanh chóng tăng lên gấp nhiều lần so với chính giá
thành của bộ mã hóa. Bài viết này tập trung vào bộ mã hóa hạng nặng bao
gồm: nguyên lý kỹ thuật bên cạnh việc vận hành của bộ mã hóa hạng nặng
và việc sử dụng công nghệ như thế nào để bảo đảm khả năng tồn tại lâu dài
c
ủa chúng dưới những điều kiện thách thức khó khăn. Ngoài ra bài viết còn
nêu ra nh
ững ví dụ thực tế để chứng minh tác dụng và lợi ích của bộ mã hóa
h
ạng nặng.
Bộ mã hóa thông thường và nguyên tắc làm việc của chúng:
Mỗi bộ mã hóa quang thường có sáu bộ phận chính như sau: (hình 1)
Trục và vòng bi gắn với nhau
2. Đĩa tạo xung

3. Nguồn sang
4. Gi
ản đồ lưới
5. Hệ mạch giải mã/ đi ốt quang
6. Các tiếp xúc
Tất cả các bộ mã hóa quang đều vận hành theo một cách giống nhau cơ
bản (hình 2). Nguồn sáng chiếu trực tiếp tia sáng qua hệ thấu kính lồi và
h
ội tụ ánh sáng thành một chùm tia song song. Chùm tia này đi qua giản
đồ lưới phân chia chúng để tạo ra một ch
ùm tia thứ cấp lệch pha 90o.
Chùm tia gốc A và chùm thứ cấp B đi xuyên qua đĩa tạo xung bằng kính
chịu nhiệt, poly carbonate hay bằng kim loại rồi chiếu vào dãy các đi ốt
quang. Trên mặt đĩa có những đoạn sáng tối khi ánh sáng chiếu vào, đĩa
quay sẽ tạo ra những mẫu sáng tối tương ứng.
Mẫu sáng/tối được dãy đi ốt quang
và hệ mạch giải mã đọc và xử lý.
Chùm tia A và B được nhận bởi các
điốt ri
êng biệt và chuyển đổi thành
hai tín hi
ệu sóng vuông, lệch pha
900, thường được gọi l
à lối ra
vuông pha. Lối ra vuông pha này
sau đó được đưa vào linh kiện điều
khiển để xử lý tín hiệu nhằm xác
định số xung, hướng, tốc độ v
à các
thông tin khác.

Để vận hành trơn tru, bộ mã hóa
quang c
ần một đường sạch từ các
đi ốt phát quang tới d
ãy nhận tín
hiệu thông qua đĩa và sẽ định xứ giữa chúng. Trục của bộ mã hóa và do đó là
bộ phận đĩa kết nối với trục - sẽ quay, hình thành một giao diện quan trọng
H.1. Giản đồ của một bộ mã hóa
quang
H.2. Cơ cấu vận hành của một bộ mã
hóa vuông pha
giữa các mạch điện tử, trục và vòng bi.
Không th
ể chế tạo được bộ mã hóa quang kín 100% bởi vì việc ghép nối
giữa trục và vòng bi không bao giờ kín hoàn toàn. Cần phải có một chỗ
trống để vòng bi trượt trên trục trong suốt quá trình lắp ráp bộ mã hóa.
Kho
ảng trống này tạo những chỗ hở mà các chất thải có thể chui vào.
Vòng bi cho phép tr
ục quay mà vẫn giữ nguyên lớp vỏ ngoài. Bởi vì chúng
không thi
ết kế để hỗ trợ tải nặng dưới điều kiện thông thường, vòng bi cơ có
th
ể bị quá tải trong môi trường khắc nghiệt. Các nguyên nhân chung gây ra
vòng bi l
ỗi là đo va đập, rung, quá tải trục hoặc xuyên tâm. Thậm chí các
vòng bi với lót cao su hoặc nhựa kín và bộ đánh giá IP tốc độ cao không thể
kiểm soát toàn bộ tốc độ quay, các vị trí gắn kết; tất cả các mối hàn phải chịu
được sự hao m
òn, già hóa và ảnh hưởng của tia UV.

Tại nhà máy, bộ mã hóa công nghiệp thông thường có thể chuyển tín hiệu lối
ra lỗi do việc phá hủy các mạch IC dùng để truyền tín hiệu lối ra vuông pha
tới bộ phận điều khiển Những sự cố như vậy có thể do nhiễu EMI hay nhiễu
bức xạ từ các thiết bị khác xung quanh bộ mã hóa. Trong những nhà máy
l
ớn, khoảng cách dài giữa bộ mã hóa và mạch điện tử điều khiển có thể làm
suy y
ếu tín hiệu đầu ra, gây nên nhiều lỗi liên tiếp.
Thử thách trong môi trường khắc nghiệt
Các bộ mã hóa thông thường được sử dụng trong một loạt các ứng dụng
trong môi trường khó khăn v
à khắc nghiệt bao gồm quá trình xử lý thực
phẩm/nước giải khát, thiết bị nặng, các phương tiện di chuyển biệt dụng,
thiết bị tạo năng lượng, quá trình xử lý hóa chất/dầu, thiết bị y tế, xử lý nước
thải, phương tiện hàng hải tàu thuyền, thiết bị in ấn và các thiết bị trong nhà
khác và s
ử dụng ở ngoài trời…
Trong môi trường như vậy, có những nguy
ên nhân làm bộ mã hóa bị lỗi:
Các hạt chất rắn hay là những chất thải ô nhiễm; vòng bi cơ bị quá tải; tín
hiệu đầu ra bị lỗi. Khi gặp phải một trong ba lỗi này, bộ mã hóa sẽ bị vênh
khi v
ận hành hoặc hệ thống sẽ vận hành thất thường.
Sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh có thể làm gia tăng tốc độ bị lỗi
của bộ mã hóa. Trong suốt quá trình làm mát bộ mã hóa, có sự chênh lệch áp
suất giữa bên ngoài và bên trong vỏ. Khi nhiệt độ vỏ máy giảm xuống đột
ngột, hơi ẩm trong máy sẽ ngưng tụ tạo thành giọt sương tích tụ trên PCB,
dây d
ẫn, đĩa mã hóa làm cho bộ mã hóa bị lỗi. Trong rất nhiều ứng dụng,
chất lỏng xâm nhập xảy ra một cách tự nhiên khi bộ mã hóa ở trong môi

trường tiếp xúc trực tiếp b
ên ngoài với nước, chất làm mát, chất bôi trơn và
tác nhân làm sạch. Thường những ứng dụng này ở ngoài trời hoặc trong nhà
máy ch
ế biến thực phẩm, nước giải khát nơi chịu áp suất vòi nước rửa rất
lớn. Ví dụ, khi sữa chua đặt vào trong các thùng chứa trong suốt quá trình
s
ản xuất, bộ mã hóa thường được sử dụng giám sát sự quay của bàn quay để
điều khiển quá tr
ình bơm đầy sữa vào hộp. Đến cuối buổi làm việc, máy
đóng gói sẽ được rửa sạch dưới tác dụng của v
òi phun áp nước nóng áp suất
cao.
B
ộ mã hóa làm việc trong môi trường khắc nghiệt thường hay tạo ra các hạt
rắn ví dụ như cát, muối, vỏ bào nhỏ, hay các hạt bụi. Các hạt này sẽ rơi vào
trong bộ mã hóa, làm tắc quá trình xử lý quang, dẫn đến lỗi thiết bị. Trong
qui trình sản xuất giấy, bộ mã hóa kiểm tra tốc độ hoặc vị trí của qui trình
quay để điều khiển dòng bột giấy vào trong máy và giấy vào bộ phận cuốn
để tạo cuộn. Qui tr
ình sản xuất giấy thường rất bẩn, và môi trường vận hành
thường có rất nhiều giọt chất lỏng nhỏ chứa bột giấy. Dưới dạng lỏng, bột
giấy thường tích tụ gần như mọi thứ trong nhà máy, gây đóng cáu trên tất cả
các bộ phận, bao gồm cả bộ mã hóa, do đó bộ mã hóa thông thường không
thể chịu được tác động của chất bẩn như vậy trong một thời gian dài. Bộ mã
hóa nhanh chóng b
ị lỗi khi các hạt đi vào bên trong và làm tắc mạch quang.
Bộ mã hóa hạng nặng
Chạy ở tốc độ 30.000 vòng/phút mà hầu như không bị hao mòn, bộ mã hóa
h

ạng nặng giám sát tốc độ và vị trí trong hàng loạt ứng dụng như nhà máy
phong điện, xử lý thép, thiết bị công nghiệp nặng, phương tiện vận tải hạng
nặng, xử lý dầu, ga, thiết bị in ấn, dập khuôn kim loại, đúc khuôn kim loại
và điều khiển mô tô. Thiết kế bền vững rất khác với bộ m
ã hóa thông thường
cho phép chúng chịu đựng được chất bẩn dạng hạt, rắn, lỗi vòng bi cơ học,
và lỗi tín hiệu đầu ra.
H.3. Hình ảnh của một bộ mã hóa h
ạng
nặng với lớp vỏ ngoài đúc kim lo
ại rất
bền vững
H.4.
Ổ trục bị phá hủy khi
dòng điện của tr
ục phá hủy
vòng bi hình quả bóng
Để được như vậy, vỏ ngoài của bộ mã hóa hạng nặng được đúc kim loại và
thi
ết kế chắc chắn giúp chúng vận hành tin cậy trong các ứng dụng khí mở
nơi mà bộ m
ã hóa thông thường bị lỗi (hình 3). Bộ mã hóa đầu tiên dùng
trong q
uân đội có ren xoáy ngược hình chôn ốc như trong hình 3 để bảo vệ
sự xâm nhập của chất lỏng và bụi vào bên trong. Những mối hàn này cho
phép thi
ết bị sử dụng trong môi trường dao động, chất hoá học nhiệt độ, độ
ẩm cao.
Bộ mã hóa còn được trang bị những vòng bi hình quả bóng lớn hơn thích
hợp với lớp vỏ ngoài được đúc kim loại bao quanh mạch điện tử cảm biến.

Mặc dù những bộ mã hóa này thông thường còn nhiều chỗ trông nhưng trục
của chúng được đặt tải trọng trước để chịu được lực lớn hơn theo cả hướng
theo bán kính tâm và theo trục. Cấu trúc bền chắc này cho phép bộ mã hóa
t
ồn tại được trong những môi trường sóc lên tới 500g, vận hành tin cậy trong
dải nhiệt độ từ - 40°C đến 100°C.
Vòng bi bằng gốm đã được cấp bằng sáng chế với trở kháng đẳng hướng đặc
biệt giữa lớp vỏ ngoài và trục của bộ mã hóa bảo vệ sự tích tụ của dòng điện
trong trụ khỏi các động cơ AC lớn và các máy phát. Dòng điện này có thể
truyền qua lớp vỏ ngoài, tiếp đất gây ra tia lửa điện rất nguy hiểm bởi vì sự
ăn m
òn bởi tia lửa điện này có thể dẫn đến sự phá hủy tính bền vững của
vòng bi và bề mặt vòng bi.
Trong t
ất cả bộ mã hóa quay, mạch điện tử cảm biến và đĩa mã hóa được đặt
bên trong lớp vỏ bọc giữa các vòng bi. Trong bộ mã hóa hạng nặng, đĩa mã
hóa được làm bằng kim loại tốt hơn thủy tinh hay nhựa. Đĩa thủy tinh dễ bị
ảnh hưởng xước, g
ãy dưới cú sốc mạnh. Đĩa nhựa chống sốc tương đối tốt
nhưng có vẻ như bị cong v
à biến dạng khi ở nhiệt độ cao hơn, chúng có thể
bị gãy trong môi trường hóa chất mạnh. Đĩa kim loại chịu sốc, nóng và hóa
ch
ất tốt hơn và không bị vỡ gãy khi làm việc trong môi trường công nghiệp
nặng.
Lớp ngoài của bộ mã hóa
h
ạng nặng được đúc kim loại
cho nên chúng ta có thể kéo
dài chiều dài trụ và mở rộng

chúng giữa các vòng bi cho
phép g
ắn thêm bộ mã hóa thứ
cấp hoặc chuyển mạch ly tâm
cơ. Thiết bị thứ hai n
ày sẽ
kích hoạt khi vượt quá giới
hạn tốc độ cho phép. Vì thiết
bị đầu tiên độc lập về mặt
điện tử nên việc gắn thêm bộ
mã hóa thứ cấp là rất quan
trọng trong những ứng dụng
cần sự an toàn tuyệt đối (hình
s
ố 5). Ví dụ, nếu các cánh
trong máy phát điện gió quay
quá nhanh khi trời gió bão,
thi
ết bị thứ cấp này làm chậm
máy phát điện lại để bảo vệ
turbin khỏi bị phá hủy.
Để bảo vệ tín hiệu ra không
bị lỗi, những hộp đầu cuối
được phủ một lớp bảo vệ đặc
biệt giúp chống lại điện từ trường.
H.5. Sơ đồ của một bộ m
ã hóa dùng trong
turbin gió: 1. Trục hạng nặng; 2 và 3. v
òng
bi phủ gốm; 4. đĩa mã hóa kim lo

ại; 5. bảng
m
ạch điện tử; 6. transistor nguồn 300mA; 7
và 8. chuyển mạch tốc độ dùng để dự ph
òng;
9 và 10: hộp đầu cuối riêng bi
ệt; 11: tấm
phân chia; 12. mối hàn đặc biệt
Kiểm thử bộ mã hóa
Bộ mã hóa hạng nặng cần phải được kiểm tra liên tục để chứng minh khả
năng chịu đựng của chúng trong môi trường l
àm việc khó khăn. Trong quá
trình phát triển, mạch điện máy in đã được kiểm tra tại tần số cộng hưởng
(hình 6) và tối ưu hóa sử dụng sóng quét hình sin tần số từ 10 - 2.000Hz.
Điều này bảo đảm các thành phần không bị rung quá nhiều (gây tổn thương
cho mạch lối ra) hoặc bị đứt dây. Ngoài ra chúng còn được thực hiện phép
đo EMC phép đo điện từ trường tương thích (h
ình 7).
H.6. Kiểm tra trên tần số cộng
hưởng
H.7. Kiểm tra EMC
Bước tiếp theo là kiểm tra trong môi trường rung, sóc liên tục, bảo vệ bẩn,
phun nước kiểm tra. Áp suất d
òng nước là 12bar và tốc độ vòi phun
100lpm. Sau đó bộ mã hóa được nhúng trong nước ở độ sâu 1m để kiểm tra
mối hàn có đủ tiêu chuẩn IP67. Một vài bộ mã hóa ứng dụng trong hàng hải
được phun muối v
à dòng nước nóng ẩm để chứng minh khả năng thích hợp
trong môi trườ
ng khí hậu nhiệt đới. Việc thực hiện những kiểm nghiệm như

vậy nhằm bảo đảm những lỗi thường xảy ra ở các bộ mã hóa thông thường
trong môi trường khắc nghiệt sẽ không xảy ra đối với bộ m
ã hóa hạng nặng
(hình 8).
H.8. Bộ mã hóa đư
ợc phun muối để
ki
ểm tra khả năng chịu đựng trong
môi trường biển
H 9. Bộ mã hóa h
ạng nặng sử dụng
mối hàn Simmering và cấu trúc SS
Riêng ứng dụng trong hàng hải, ngành chế biến thực phẩm cao cấp đặc biệt
và trong môi trường hay phải rửa, bộ m
ã hóa hạng nặng được trang bị lớp vỏ
ngoài bằng thép không gỉ, sử dụng mối hàn Simmering đặc biệt (hình 9) và
m
ột qui trình bọc kín để bảo vệ mạch điện tử của bộ mã hoá khỏi thế giới
bên ngoài. Thứ duy nhất có thể xuyên qua lớp vỏ ngoài là từ trường của nam
châm vĩnh cửu trên bộ mã hoá. Những bộ mã hóa này đạt được các tiêu
chu
ẩn cao cấp IP68 và IP69K, có thể chìm trong chất lỏng trong một thời
gian dài hoặc rửa dưới một áp suất vòi phun rất cao mà không bị lỗi.
Một trong những ứng dụng thực tế khó nhất của bộ mã hóa hạng nặng là sử
dụng chúng trên thế hệ mới nhất của thuyền cứu hoả. Trong ứng dụng này,
b
ộ mã hoá quản lý việc định vị các ống phun nước được điều khiển từ xa.
Những vòi này có thể phun hàng tấn nước biển trên một phút tới một khoảng
cách lớn hơn 100m trực tiếp vào ngọn lửa. Việc định vị này cho phép nước
biển vào nhanh hơn so với bộ mã hoá công nghiệp thông thường. Trong

trường hợp n
ày, do bộ mã hóa được hàn kín, nước không thể vào bên trong
b
ộ mã hoá, bảo vệ tránh khỏi sự phá huỷ mối liên kết của mạch điện tử bên
trong.
M
ột loại các ứng dụng khác yêu cầu bộ mã hoá phải có những đặc tính đặc
biệt phù hợp với yêu cầu của môi trường làm việc khó khăn. Bộ mã hoá
thông thường thường không đủ sự bền chắc để tồn tại trong môi trường như
vậy. Ngược lại bộ mã hóa hạng nặng, với lớp vỏ bảo vệ, thiết kế bền chắc và
vòng bi hình quả bóng lớn, vận hành được trong các ứng dụng nơi mà bộ mã
hoá thông thường không thể chịu được.