1. Cảm biến tiệm cận.
Có 2 loại cảm biến tiệm cận trong công nghiệp thường gặp là:
- Cảm biến tiệm cận kiểu cảm ứng (cảm biến điện từ): Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện từ. Dĩ nhiên, thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại. Tuy nhiên, loại cảm biến này lại rất hay được sử dụng trong công nghiệp vì giá thành và khả năng chống nhiễu của nó .
Cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó. Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát.
Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật.
Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi.
Nguyên lý hoạt động.
Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra è phát hiện ra vật kim loại phía trước.
Hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận điện từ.
Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến cảm ứng vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường. Ví dụ: dầu hoặc bụi thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến.
- Cảm biến tiệm cận điện dung: Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện dung tĩnh điện. Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện từ kiểu điện dung.
Cảm biến tiệm cận kiểu điện dung phát hiện sự thay đổi điện dung giữa cảm biến và đối tượng cần phát hiện. Giá trị điện dung phụ thuộc vào kích thước và khoảng cách của đối tượng. Một cảm biến tiệm cận điện dung thông thường tương tự như tụ điện với 2 bản điện cực song song, và điện dung thay đổi giữa 2 bản cực đó sẽ được phát hiện. Một tấm điện cực là đối tượng cần phát hiện và một tấm kia là bề mặt của cảm biến. Đối tượng có thể được phát hiện phụ thuộc vào giá trị điện môi của chúng.
Hình ảnh thực tế của cảm biến điện dung.
Đầu ra của Cảm biến Cảm ứng.
Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP (xem hình bên phải). Những loại này còn được gọi là kiểu DC-3 dây.
Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối (âm và dương). Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây (xem sơ đồ bên dưới).
Cảm biến tiệm cận-loại NPN : ngõ ra dây màu đen bình thường ở +V, nhưng khi phát hiện vật thì điện áp là 0 V.
Cảm biến tiệm cận-loại PNP : ngõ ra dây màu đen bình thường ở 0V, nhưng khi phát hiện vật thì điện áp là +V.
Còn loại 2 dây, phát hiện vật transistor trong cảm biến làm thông mạch, tác động đến tải
2. Cảm biến quang.
Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:
Nguyên lý cấu tạo của cảm biến quang.
Bộ phát sáng.
Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode) để phát ra ánh sáng.
Ánh sáng được phát ra với các tần số khác nhau (tùy theo mỗi loại cảm biến quang hoặc các hãng sản xuất khác nhau). Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến phát ra và ánh sáng của các nguồn phát sáng khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng), từ đó tránh hiện tượng nhiễu từ bên ngoài tác động vào mạch.
Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Tuy nhiên, thông thường các nguồn sáng này được phát ở các tần số mà mắt người không nhìn thấy được.
Bộ thu sáng.
Thông thường bộ thu sánglà một phototransistor (tranzito quang). Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ.
Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC.
Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán), điều đó còn tùy theo đặc điểm của mỗi loại cảm biến khác nhau.
Mạch xử lý tín hiệu ra.
Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.
Một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le, nhưng ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn(PNP/NPN).
*Phân loại cảm biến quang.
Cảm biến quang có nhiều hình dạng và cách thức lắp đặt khác nhau, tuy nhiên chúng được phân làm 4 loại chính:
- Chế độ thu phát độc lập.
- Chế độ phản xạ (gương).
- Chế độ phản xạ khuếch tán.
- Chế độ chống ảnh hưởng của nền.
Các chế độ hoạt động của cảm biến quang.
Ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 4 chế độ này, các ưu/nhược điểm cũng như một số ví dụ ứng dụng của từng chế độ.
- Chế độ thu phát.
Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng, chúng thường được đặt đối diện nhau (như hình phía trên). Bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì đầu ra của cảm biến sẽ thay đổi trạng thái.
Ưu điểm:
+ Khoảng cách phát hiện xa (ví dụ E3Z-T82 của Omron được tới 30m), phát hiện tốt trong môi trường nhiều bụi.
+ Khả năng xác định vị trí chính xác của vật thể.
+ Độ tin cậy cao, phát hiện được mọi loại vật thể (trừ loại trong suốt).
Nhược điểm:
+ Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt.
+ Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt
+ Giá thành sản phẩm cao.
+ Tốn diện tích lắp đặt (do cần diện tích để lắp đặt 2 bộ phận: thu, phát.).
- Chế độ phản xạ gương
Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ thay đổi trạng thái đầu ra.
Hình ảnh thực tế.
-Ưu điểm:
+ Giá thành thấp hơn loại thu phát
+ Lắp đặt dễ hơn loại thu phát
+ Chỉnh định dễ dàng
+ Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực. này.
-Nhược điểm:
+ Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).
+ Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương.
- Chế độ phản xạ khuếch tán.
Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.
Hình ảnh thực tế.
Ưu điểm:
+ Lắp đặt đơn giản, dễ dàng
+ Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.
+ Chi phí đầu tư thấp.
Nhược điểm:
+ Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ). Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.
+ Tỉ lệ lỗi đen / trắng cao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể. Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật.
+ Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại thu phát và phản xạ gương.
+ Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán.
- Chế độ hạn chế nhiễu của nền(BGS)
Đây là cảm biến phản xạ khuếch tán đặc biệt. Trong khi loại thường phát hiện tổng lượng ánh sáng nhận được, loại BGS phát hiện góc của ánh sáng phản xạ. Công nghệ này có tên là triangulation (phép đạc tam giác). Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến sẽ không phụ thuộc vào màu sắc vật hay nền sau vật. Để làm điều này, cảm biến dùng 2 điôt cho bộ thu hoặc 1 mạch điôt/PSD.
Ưu điểm:
+ Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.
+ Chính xác và tin cậy hơn loại phản xạ thường (bị lỗi trắng/đen).
+ Có thể chỉnh khoảng cách phát hiện ở 1 mức nhất định.
Nhược điểm:
+ Khoảng cách phát hiện ngắn; ví dụ E3Z-LS: chỉ được tối đa 200mm
Cảm biến BGS ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp vì không cần gương và phát hiện tin cậy. Thông thường cảm biến BGS lắp đặt bên cạnh hoặc bên trên băng chuyền.
Lưu ý: Vít biến trở của cảm biến BGS dòng E3Z không điều chỉnh ngưỡng/độ nhạy (như các model khác), mà thay đổi vị trí của thấu kính để điều chỉnh khoảng cách phát hiện.
**Sơ đồ nối dây của cảm biến quang.
Cảm biến quang có nhiều loại nhưng cơ bản nhất vẫn là loại 3 dây với 2 dây nguồn và 1 dây tín hiệu. Chúng được phân biệt bởi màu sắc như sau:
- Brown: Vcc(12-24VDC).
- Black: Tín hiệu.
- Blue: Gnd.
Theo đầu ra của tín hiệu, cảm biến được chia làm 2 loại là đầu ra NPN(tích cực ở mức thấp) và PNP (tích cực ở mức cao).
Cảm biến quang loại NPN
Với loại cảm biến NPN, khi cảm biến không phát hiện vật thì dây tín hiệu có điện áp Vcc(bằng giá trị của nguồn cấp vào), khi cảm biến phát hiện vật thì dây tín hiệu có điện áp 0V(Gnd).
Cảm biến quang loại PNP.
Với loại cảm biến PNP, khi cảm biến không phát hiện vật thì dây tín hiệu có điện áp 0V(Gnd), khi cảm biến phát hiện vật thì dây tín hiệu có điện áp Vcc(theo nguồn cấp vào).
* Ứng dụng cảm biến quang.
Cảm biến quang được sử dụng rất rộng rãi xung quang chúng ta, một số ứng dụng thường gặp nhất của cảm biến quang như:
- Phát hiện vật trên băng chuyền.
- Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy.
- Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp).
- Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà.
- Phát hiện vật trong khoang chứa.
- …
Ngoài ra, dựa vào nguyên lý hoạt động của cảm biến quang mà người ta còn chế tạo ra thiết bị đo tốc độ quay của động cơ (gọi là encoder).
3. Cảm biến đo lường lực (loadcell).
Khái niệm về loadcell.
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain gage" và thành phần còn lại là "Load". Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên “Load” - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
- Nguyên lý hoạt động.
Hoạt động 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.
Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 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 (1) và (4) 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.
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.
Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng.
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).
- Thông số kĩ thuật cơ bản.
- Độ chính xác: Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp. Tùy vào các yêu cầu công nghệ khác nhau của hệ thống để lựa chọn thiết bị đo có độ chính xác phù hợp.
- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được. Nếu lực đặt nên thiết bị đo quá giá trị này thì sẽ gây hư hỏng thiết bị đo.
- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra. Bởi vậy, cần lựa chọn thiết bị phù hợp với nhiệt độ môi trường cần đo.
- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi).
- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V).
- Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại củaLoadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).
- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất).
- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất củaLoadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).
- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải.
Các loại Loadcell cơ bản.
- Loadcell tương tự.
+) Khái niệm.
Loadcell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là Loadcell tương tự. Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Mỗi Loadcell 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 Loadcell. 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.
+) Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
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 dạngkhác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng.
Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression).
Nhược điểm:
Tín hiệu điện áp đầu ra của Loadcell 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 Loadcell với thiết bị đo lường càng tốt. Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của Loadcell. Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song nhiều Loadcell với nhau, mỗi Loadcell tải với một đầu ra độc lập với các Loadcell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng load cell riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân silô
Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều Loadcell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra trung bình của từng Loadcell . Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có Loadcell bị lỗi mà không được nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định Loadcell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục.
Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân như:
Quá trình chỉnh định hệ thống.
· Nhiễu rung và ồn.
· Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống.
· Quá trình phân tích dò tìm lỗi.
· Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan.
· Đi dây cáp tín hiệu dài.
· Môi trường hoạt động quá kín .
Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóa trong quá trình phân tích và thiết kế. Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất khác nhau, thiết bị đo ở cách xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu, dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp. Tín hiệu đưa về đến thiết bị đolường khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế.
Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp, năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại Loadcell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ. Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém. Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân bằng liên tục,
- . Loadcell số
+) Khái niệm, sự ra đời
Thời gian ra đời: Từ cuối những năm 1970.
Về cơ bản Loadcell số là sự tích hợp giữa load cell tương tự với công nghệ điện tử hiện đại.
Ban đầu, khi khái niệm Loadcell 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 Loadcell chất lượng cao. Thực tế thì ngược lại, mỗi Loadcell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp.
- Thứ nhất: Phải có một Loadcell 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.
+) Hoạt động:
Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của Loadcell 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 Loadcell 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 loadcell, 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 Loadcell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính Loadcell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai số được thực hiện khá triệt để.
Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các Loadcell số nối với máy tính, PLC hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi Loadcell 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 Loadcell có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định.
Các Loadcell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểuMaster/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 mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các Loadcell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau cung cấp một môi trường multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quy định bởi nhà sản xuất.Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống Loadcell tương tự và số là mặc dù nối với nhau nhưng mỗi Loadcell số hoạt động như là một thiết bị độc lập.
+) Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
- Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn.
- Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m.
- Dễ dàng thay thế Loadcell.
- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần.
- Mỗi Loadcell 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 Loadcell không ảnh hưởng đến các Loadcell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian.
- Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà không cần tải chết.
- Loadcell 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 Loadcell 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.
Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư cao.
- Đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức nhất định về hệ thống.
4. Cảm biến nhiệt độ.
Nhiệt điện trở kim loại ( RTD-resitance temperature detector )- nhiệt điện trở dương: được làm từ các kim loại như Đồng, Niken, Platinum…Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở. Ưu điểm : Là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
Phổ biến nhất của nhiệt điện trở kim loại là cảm biến nhiệt độ PT100 .PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt. Can nhiệt Pt100- loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum.
