Tìm hiểu về cân điện tử trong công nghiệp

Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm biến sức căng, biến đổi
thành tín hiệu điện (gọi là load cell tương tự). Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ
các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thông thường bao gồm một hoặc một vài load cell
nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box)
Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết
quả của đầu ra từng load cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về,
qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết
quả đọc được lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với
các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in.
Những load cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ
với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ. Ưu điểm
chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các
sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích
thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: dạng kéo
(shear), dạng uốn(bending), dạng nén (compression)…
Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín hiệu điện áp đầu ra của
load cell rất nhỏ(thường không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của
nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:
Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, truyền
phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch
công suất lớn…
Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên
dây cáp truyền dẫn.
…
Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cell với thiết bị đo lường càng
tốt. Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của load cell. Tuy nhiên giới
hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song
nhiều load cell với nhau, mỗi load cell tải với một đầu ra độc lập với các load cell khác trong hệ thống,

Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo load cell đã khám phá khả năng có thể kết hợp
giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và khái niệm load cell số ra đời. Ban
đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều người hiểu lầm là các load cell số có các phần tử điện
tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển đổi một load cell chất lượng thấp lên một load cell chất
lượng cao. Thực tế thì ngược lại, mỗi load cell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức
tạp. Thứ nhất, phải có một load cell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất cao
trong mọi điều kiện làm việc. Thứ hai, phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc
độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số. Thứ ba, phải có hệ vi mạch xử lý để thực
hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung
thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin.
Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp
sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số. Một cảm
biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của load cell phục vụ cho việc bù sai số
do nhiệt độ. Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số
phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai
đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử
lý. Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định. Các
module điện tử này có thể được đặt ngay trong load cell, load cell cable hoặc trong hộp junction box.
Các đặc tính tới hạn của từng load cell được đặt trong EEPROM nằm trong module của load cell đó,
điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính load cell
đó, cũng có nghĩa là phép bù các sai số được thực hiện khá triệt để.
Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính, PLC hoặc thiết bị đo như
bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi load cell độc lập có thể được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của
nó. Địa chỉ làm việc đó có thể được cài đặt do người lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung
cấp bởi nhà máy. Thông thường địa chỉ “0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các load
cell trả lời, trong khi các số nối tiếp của load cell có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định.
Các load cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu Master/Slave, ở đó định nghĩa một
thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là master trên mạng. Có hai chế độ hoạt động chính: Master
giám sát tất cả các quá trình truyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự, hoặc
master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự. Chế độ thứ nhất có ưu điểm trong sự

Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần.
Mỗi load cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó
Có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng.
Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành phần tích hợp.
Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi một load cell không ảnh hưởng
đến các load cell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian.
Một số ưu điểm khác :
Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà không cần tải chết.
Load cell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại.
Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống.
Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là mở rộng đường dây cable.
Tiết kiệm phần cứng.
Phần mềm dễ dàng phát triển.
…
Những ưu điểm của hệ load cell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và chống chịu nhiễu
tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng
__________________
Chu Minh Cương
Công ty Tự động hóa Hoàng Gia
Tel:0313 500285 - 0913 385 368
VP 60 Nguyễn Văn Linh - Q. Lê Chân - TP Hải Phòng
Xưởng lắp ráp tủ điện : Khu CN Vĩnh Niệm - Hải Phòng
Nhà phân phối Biến tần INVT , Biến tần ABB & các thiết bị tự động hóa đo lường và điều khiển .
Email: [email protected]
http://tudonghoahoanggia.com
e-Store://www.quangcaosanpham.com/shop/hgatm