Khuếch đại tín hiệu loadcell ra 4-20mA | 0-10V | RS485 + Relay

Bộ chuyển đổi tín hiệu loadell là gì ?

Một điều mặc nhiên: Bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell ra 4-20ma | 0-10v hoặc modbus rtu chính là một thiết bị trung gian dùng trong việc khuếch đại tín hiệu mv/v cho các loadcell cân điện tử. Đồng thời; nó còn có khả năng lọc nhiễu tín hiệu loadcell trong các hệ thống dây chuyền sản xuất. Vậy Bộ chuyển đổi loadcell ra analog 4-20ma là gì !

Nay chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sơ lược về một loại cân điện tử loadcell chuyên dùng trong công nghiệp với các đầu cân 10kg, 20kg, 50kg ….. 1000kg. Và kiểm chứng lý do tại sao lại phải sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell ra analog hoặc modbus

Loadcell là gì ? Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cân điện tử loadcell ra sao ? Strain gage là gì ? Và nó có liên quan gì đến dòng cân điện tử công nghiệp này hay không ? Phương thức kết nối loadcell với đầu cân như thế nào. Thậm chí thiết kế cân điện tử bằng loadcell có dễ dàng không . Giá trị bỏ ra như thế nào ….. Tại sao phải sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell trong giám sát ? Khả năng chống nhiễu khuếch đại tín hiệu loadcell mang lại những lợi ích gì…..

Loadcell là gì

Người ta thường đặt câu hỏi cân điện tử là gì ? Đó chính là cân tích hợp cảm biến loadcell

Về cân điện tử nó có rất nhiều loại: Cân ứng dụng trong các vấn đề xem xét các giá trị trong mua bán như trái cây; rau củ, cân điện tử dùng test cân nặng của con người. Đặc biệt; đối với ngành công nghiệp thì cân điện tử loadcell chính là thiết bị đo lường khối lượng của các nguyên liệu sản xuất

Vậy ! loadcell chính là một con cảm biến chuyển hoá lực tác động lên nó thông qua độ nén để quy đổi chúng thành một đơn vị cụ thể hiện diện trên các đầu cân một cách trực tiếp để con người quan sát

Cân điện tử load cell có độ đàn hồi, độ dẻo và tính chuẩn xác cực tốt. chúng được sử dụng nhiều trong các hệ thống dây chuyển sản xuất giấy ăn, khăn lau miệng; tả lót, nước uống….

Ví dụ: Bây giờ có một lô khăn giấy sản xuất đại trà theo dây chuyền một ngày điều tiết ra 400-500 ngàn bịch. Và quy chuẩn mỗi bịch 50g chẳng hạn

Thì làm sao để biết được bịch khăn giấy đó dư hay thiếu trọng lượng. Trong khi sản xuất là phải chuẩn xác về kích thước và trong lượng sản phẩm

Chính vì vậy; những chiếc cân điện tử loadcell chính là những đơn vị đo lường chuẩn xác sinh ra nhằm giám sát điều này. Cho nên 1 cái cân điện tử nó có thể vài trăm triệu là chuyện hết sức bình thường

Strain gage là gì

Strain gage là một thành phần cấu tạo nên các cân loadcell. Đây là một trong những linh kiện khá nhỏ đảm nhận nhiệm vụ chuyển hoá lực tác động của một vậy lên cân load cell

Trên Strain gage có thiết kế con điện trở chạy nên các lực hay trọng lực tác động vào nó đều chuyển hoá thành điện trở đầu ra. Cho nên một loại năng lượng điện khác được tạo ra trên con Strain gage khi và chỉ khi có lực tác động từ bên ngoài có sự thay đổi tuyến tính theo chu kỳ

Chức năng vai trò của Strain gage 

Strain gage đảm nhiệm vài trò chính là kiểm tra và báo cho người vận hành biết trọng lượng; áp suất hay áp lực của một vật thể tác động đang là bao nhiêu; đang trong trạng thái tối thiểu hay tối đa để có các biện pháp xử lý hiệu quả nhất

Nguyên lý hoạt động của strain gauge sensor

Thấy ông nào cũng hỏi về mấy cái nguyên lý vận hành của các con cảm biến đo biến dạng Strain gage. Thực tế; thì nguyên lý hoạt động của các sensor này y chang cái tên của nó mà chúng ta thường gọi đó là cảm biến dạng Strain gage

Có nghĩa là con cảm biến nay sẽ có sự thay đổi điện trở theo trọng tải khi và chỉ khi lực bên ngoài tác động gây nên sự biến dạng cho cảm biến. Sự biến dạng này được hình thành do cơ chế kết cấu trên thiết bị đo. Lực tác động bên ngoài chính là các nguyên vật liệu; vật phẩm đã sản xuất…. và đấy cũng chính là nguyên lý hoạt động của Strain gage sensor

Tất nhiên; trong trường hợp này thì điện trở sinh ra với diện tích và chiều dài vật tác động luôn có một tỷ lệ thuận nghịch nhất định. Và tỷ lệ này luôn đi song song trong quá trịnh vận hành của thiết bị đo. Cho nên Strain gage vẫn luôn là vấn đề mấu chốt cũng là thiết bị quan trọng của cái cân điện tử loadcell mà chúng ta đang sử dụng

Ứng dụng của các cảm biến lá Strain gage

Strain gage luôn đi đầu tiên phong trong các ngành thông dụng có tính quan quọng quyết định nền kinh tế nước ta như đường sắt; tàu thuỷ, máy bay, các động cơ lớn thiết kế trên tàu, quạt …. Với ứng dụng cần thiết dùng để chuyển đổi điện trở lực căng ; và biến chúng thành một tín hiệu đơn vị lực thông dụng truyền về các bộ đọc giám sát điều khiển

Ngoài ra; Strain gage còn được chú trọng trong các vấn đề thử nghiệm những chiếc ô tô sau khi sản xuất nhằm kiểm tra tính đàn hồi và độ bền của thiết bị trước khi xuất xưởng

Việc mắc strain gage sensor vào một nhánh của mạch cầu và đặt ngoài vị trí đo có tác dụng làm tăc độ chính xác của cảm biến trong quá trình đo đạc. Đồng thời; với phương pháp này sẽ giúp thiết bị đo có tuổi thọ cao hơn; độ nhạy tốt trong quá trình giám sát; tránh được nhiễu do độ rung từ lực bên ngoài tác động vào

Cấu tạo cân điện tử loadcell

Quy lại vấn đề loadcell đối với cấu tạo chúng có một số thành phần chủ lực cấu tạo dàn trải mà hầu hết mỗi cần điện tử loadcell đều được tích hợp

Còn về cấu tạo chi tiết của cân điện tử load cell chúng ta hoàn toàn không nắm bắt một cách rõ ràng được. Bởi mỗi hãng loadcell đều có những thiết kế mang tính riêng biệt; độc đáo để thể hiện tính chuyên nghiệm và là thương hiệu đo lường của từng hãng đối với hệ thống sản xuất của mình

Dưới đây là một số cấu tạo chính của cân loadcell mà anh em cần nắm bắt; để phục vụ cho công tác kỹ thuật của mình:

Bất kỳ mỗi loadcell nào cũng có 2 thành phần chính cấu thành:

• Strain gage
• Thanh kiêm loại chịu lực Load có độ đàn hồi cao ( thân loadcell )

Strain gage trong loadcell được thiết kế cực nhỏ thông qua một tấm vật liệu mỏng đáp ứng tính chất cách điện và có độ đàn hồi rất nhạy. Bên trên tấm cách điện là một sợi dây kim loại được hàn lại.

Đa phần các load cell được cấu tạo thành từ một khối hợp kim hoặc inox không rỉ thông thường inox 316l và 316ti

Nguyên lý làm việc của loadcell

Khi lực vật phẩm bên ngoài tác động vào sẽ làm tấm cách điện co giãn tạo sự đàn hồi tác động dây kim loại làm nó bị giãn dài ra từ đó tạo nên sự thay đổi giá trị điện trở liên tục theo từng lực tác động từ bên ngoài

Cho nên trong nguyên lý hoạt động của các loadcell thì ta mặc định lực chuyển hoá thành điện áp ouput dựa trên nguyên lý Wheatstone. Sau đó; thông qua một bộ khuếch đại loadcel để đưa về các đầu đọc kỹ thuật số hiện diện thực tế trọng lượng của vật tác động

Các loại cân loadcell

Về phân loại cân điện tử loadcell chúng có rất nhiều loại được thiết kế đa dạng mọi kiểu dáng nhằm mục đích phù hợp trong việc lắp đặt với thiết bị máy móc trong cân. Về phân loại chúng ta có rất nhiều cách phân loại loadcell như về tín hiệu đầu ra; phương hướng va chạm; hình dạng thiết kế hay khả năng truyền nhận …… Dưới đây là một số dòng loadcell thông dụng trong các nhà máy sản xuất hiện nay

Loadcell analog 

Là loại cảm biến load cell tiếp nhận lực và chuyển đổi chúng thành các dòng dạng điện hoặc áp tín hiệu nhỏ gọi là tín hiệu analog như mV mA

Kèm theo với loacell analog là đầu cân tiếp nhận tín hiệu ngõ vào mà con loadcell đo đếm được. Cho nên chỉ cần là đầu cân đọc được tất cả các tín hiệu analog là có thể kết hợp với loại load cell này

Loadcell Digital

Hay còn gọi là dạng loadcell kỹ thuật số, là một dạng nâng cấp từ phiên bản loadcell analog. Thay vì ra tín hiệu dạng analog thì loadcell digital chạy theo dạng truyền thông giữ liệu dưới các giao thức modbus rs485

Nhược điểm của các dòng loadcell digital chính là sự phối hợp với các bộ đọc. Nếu chúng ta sử dụng loadcell digital thì bắt buộc phải dùng đầu cần cùng một nơi sản xuất chứ nếu dụng đầu cân hãng khác sẽ dẫn đến sự không tương thích trong khi giao tiếp

Tuy nhiên; về độ chuẩn xác thì tỏng các dòng cân điện tử loadcell thì load cell digital chạy rất mịn cho độ chính xác với tần suất cao

Cảm biến loadcell lực uốn

Loadcell lực uốn được cho là loại cảm biến load cell rất thông dụng tại nhiều hệ thống vận hành sản xuất. Chúng vận hành theo nguyên tắc nén các mo men uốn được thiết kế trước đó

Lúc này; khi chúng ta lấy vật tác dụng lên loadcell thì lập tức trọng lượng vật tạo luôn một áp lực theo phương vuông góc tác động lên phần lò xo xoắn vòng thiết kế trên cảm biến loadcell từ đó tạo nên tính biến dạng đàn hồi chuyển đổi trọng lực tác động

Đây cũng được xem là loại cảm biến loadcell dạng chùm hoặc tia với gồm nhiều loại được thiết kế công suất chịu tải khác nhau và đa dạng về kích thước để phù hợp với nhiều môi trường ứng dụng cụ thể trong sản xuất

Cảm biến loadcell nén hình cột

Là loại cảm biến loadcell chuyên ứng dụng đo các vật thể có trọng lượng lớn vì chúng chịu áp cực tốt so với các dòng sensor loadcell đề cập phía trên. Loại cảm biến này chịu va đập, cực kỳ ít bị biến dạng trong khi đo vì được thiết kế theo dạng khối trụ cột

Dòng ra output của Canister load cells nó cũng rất đa dạng bao gồm cả loại loadcell analog và loadcell digital với tiêu chí ip68 phòng bụi và hơi nước xâm nhập chuyên ứng dụng trong các ngành liên quan đến cân tải xe; tàu……

Cảm biến load cell xoắn tròn

Đây là dạng cân điện tử loadcell có hình dáng khá đặc biệt. Chúng được thiết kế dạng hình dẹt kết cấu tròn như hình

Khi mà trọng lực của vật tác động lên con loadcell này thì lập tức vòng phía trên thu hẹp vòng phía dưới mở to hơn trên tạo trụ từ đó so sánh lực xuất tín hiệu mV/v. Đây gọi là sự chuyển hoá tác dụng lực từ loadell sang dạng dòng điện áp cực nhỏ

Cảm biến loadcell 1kg – 5kg – 10kg – 20kg

Xét thêm về các vấn đề chịu tải của từng đầu cân chúng ta lại có một số loại cảm biến loadcell được liệt kê theo tải trọng. Trong đó; thông dụng nhất là các dòng cảm biến loadcell loại 50g, loadcell 1kg, 5kg, 20kg thậm chí là một số loại cân loadcell chuyên dùng cho các nhà máy cám; các hệ thống sản xuất xi măng hay các dàng cân tải trọng ô tô… lên tới loadcell 100kg, 200kg, 500kg, 1000kg……

Bộ chuyển đổi loadell là gì

Bộ chuyển đổi loadcell là một gọng kiềm trung gian thông thường sẽ gắn chúng nó ở các tủ điện khi cần thiết. Đây là những thiết bị giúp cơ cấu hoán đối các tín hiệu từ cân loadcell đưa ra sau đó chuyển hoá chúng thành những tín hiệu analog hoặc modbus rs485 phục vụ cho quá trình giám sát và điều khiển

Chúng ta có thể gọi chúng là bộ khuếch đại tín hiệu loadcell hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu mv/v ra analog 4-20ma | 0-10v hoặc modbus rs485. Hay các là thiết bị lọc nhiễu ổn định tín hiệu cho cảm biến load cell

Hiện nay; có rất nhiều các bộ chuyển đổi tín hiệu từ loadcell với các phân khúc cấp độ chính xác khác nhau. Châu âu cũng có mà châu á đặc biệt là trung quốc, taiwan đều có cả ăn thua là anh em đang sử dụng hệ thống sản xuất dây chuyền như thế nào; cần tính chính xác cao hay không

Tại sao dùng bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell ra 4-20ma

Mục đích cuối cùng của cân điện tử loadcell là theo dõi giám sát trọng lượng các vật thể đi qua nó; từ đó loại trừ các vật thể thiếu hoặc dư thừa trọng lượng không đạt tiêu chuẩn yêu cầu trong sản xuất

Và để làm được chuyện đó; cân điện tử loadcell thôi vẫn chưa đủ; bởi các loadcell mặc dù nó chuyển hoá trọng lượng của một vật nhưng đơn vị nó tính là là dạng dòng áp rất nhỏ người ta gọi đó là đơn vị mV/V

Một điều khá phổ biến là các đầu hiển thị trọng lượng hoặc các thiết bị lập trình plc, scada nó không tài nào đọc được các tín hiệu từ cân điện tử loadcell truy xuất ra. Cho nên; các bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell ra đời

Mục đích chính các bộ chuyển đổi loadcell là hợp thức hoá các tín hiệu mv/v ra các dòng analog hoặc rs485 thông dụng để tương thích với các đầu đọc trọng lượng hiện nay

Đó cũng chính là lý do tại sao chúng ta phải sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu load cell trong công tác giám sát các vật phẩm trên một hệ thống sản xuất tiêu chuẩn

Giá bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell rẻ hay mắc

Tuy nhiên; ứng dụng việc chuyển đổi tín hiệu loadcell ra analog 4-20ma là một chuyện. Còn trọng lượng cân quy đổi ra chính xác hay không lại là một chuyện hoàn toàn khác. Do vậy; khi chọn lựa các thiết bị chuyển đổi tín hiệu loadcell anh em phải cân nhắc kỹ tính chính xác và xuất xứ của thiết bị để đảm bảo tính thực tế ít sai số nhất trong quá trình giám sát tại hệ thống sản xuất đầu ra

Cho nên; trong quá tình bán hàng cũng có nhiều ông phàn nàn tại sao tui cũng dùng cái cân điện tử như thế mà giá trị cân loadcell của tôi đâu phải nhỏ. Nhưng sau khi kết hợp với các converter loadcell ra 4-20ma thì tính chuẩn xác vẫn không cao ?

Ờ thì đúng rồi; mặc dù hệ thống cân điện tử xịn nhưng các bộ chuyển đổi loadcell xuất xứ china hay taiwan mua về ứng dụng vào thì chắc chắn sai số là chuyện bình thường. Thế nên mới có câu chuyện giá các bộ chuyển đổi load cell trung quốc chỉ có mấy trăm tới 1 triệu trong khi hàng châu âu người ta 3-4-5 triệu / cái…..Tiên quyết vẫn là công nghệ sản xuất thiết bị và tính chính xác

Những lưu ý khi chọn cân điện tử load cell

Việc chọn cân điện tử loadcel chúng ta phải dựa vào nhiều yếu tố khác nhau. Ngoài vấn đề yêu cầu lắp đặt cho phù hợp với môi trường thiết bị máy móc đo; thì dưới đây sẽ có một vài lưu ý nhỏ để anh em dễ dàng chọn lựa các thiết bị loadcell đáp ứng tốt các yêu cầu sản xuất đưa ra

Điểm quan trọng nhất vẫn là bám sát các thông số kỹ thuật trên chính con cân điện tử loadcell đó để có sự tương thích với yêu cầu chủ đầu tư. Trong đó điển hình quan trọng nhất chúng ta cần lưu ý 2 vấn đề chính:

Thông số kỹ thuật của loadcell

Việc bám sát thông số kỹ thuật chi tiết của cảm biến loadcell thông qua các datasheet của hãng sản xuất là điểm cực kỳ cần thiết. Vì mỗi hãng thông số kỹ thuật và kết cấu nó hoàn toàn không giống nhau

Cảm biến loadcel có tính chính xác cần cao hay thấp; công suất định mức tối đa mà chúng có thể chịu tải được trong môi trường đó

Tín hiệu đầu ra cần cho bộ đầu đọc cân điện tử loadcell là gì ? Các tính chất liên quan đến dải bù nhiệt độ; trở kháng khi có lực tác động, thời gian đáp ứng nhanh chậm cho một chu kỳ vận hành; mức độ chịu quá tải bao nhiêu %….

Sai số cho phép của loadcell

Đây là phần chúng ta cần bàn luận thêm bởi vì sai số của loadcell ( Tức là tính chính xác của nó ) bắt buộc phải đáp ứng tốt các yêu cầu trong hệ thống đo lường tại nhà máy. Nó chỉ nằm trong một phạm vi sai số cho phép nhất định

Vì một chiếc cân điện tử tích hợp các loadcell mà có độ sai số nhiều quá mức hoặc sai số do nhiễu liên tục sẽ dẫn đến thiệt hại rất nhiều. Chỉ cần lệch vài Gam mà một ngày sản xuất biết bao nhiêu thì con số lệch nó rất lớn

Ngoài vấn đề sai số loadcell cần có. Anh em phải lưu ý đến vấn đề tích hợp các bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell phải có độ chính xác cao. Chứ giả sử cân điện tử loadcell các anh mmua vài trăm triệu hãng xịn mà đi dùng các bộ chuyển đổi loadcell ra 4-20ma hoặc modbus giá rẻ xuất xứ trung quốc hoặc đài loạn thì lấy đâu ra tính chính xác cho hệ thống được

Do vậy; sai số của loadcell phải đồng bộ với sai số của các thiết bị chuyển đổi tín hiệu loadcell ra analog. Vì bản thân các thiết bị đó là đơn vị trung gian chuyển đổi tín hiệu thông tin từ loadcell đưa ra

Kết nối loadcell với đầu cân ra sao

Về việc kết nối trực tiếp loadcell tới các đầu cân điện tử để hiển thị trọng lượng vật tác động trong một dây chuyền sản xuất là hoàn toàn khác nhau. Do kết cấu sơ đồ sản xuất chúng chỉ giống nhau về một số ký hiệu chung còn đa phần khi đấu nối loadcell với đầu cân chúng ta phải dựa vào catalog chi tiết từng đầu cân mới có được cách đấu nối chuẩn cho các loadcell

Đối với các loadcell thì căn bản các nguồn như âm dương được ký hiệu mặc định là dây E- và dây E+ ( EXC ). Thông thường; các dây E+ sẽ thể hiện màu xanh lá cây hoặc màu vàng. Còn các dây E- có thể màu đen hoặc màu xanh lam

Còn bản thân 2 dây tín hiệu âm và dương sẽ tương thích với ký hiệu S- và S+ ( SIG ). Trong đó; S+ là dây màu trắng và S- là dây màu đỏ

Mà ngày xưa thường sẽ có cái kiểu nối trực tiếp với đầu cân một cách mặc định. Nhưng dùng một thời gian tín hiệu hay dẫn đến các tình trạng bị nhiễu loadcell nhảy chập chờn; hoặc độ chính xác không cao

Chính vì vậy; các bộ khuếch đại tín hiệu loadcell ra đời nhằm mục đích cải thiện các vấn đề trên. Và vấn đề đấu nối loadcell với các đầu cần lại trở nên dễ dàng hơn

Vì loadcell truyền tín hiệu mv/v đia ra bộ chuyển đổi/ khuếch đại tín hiệu loadcell để trích xuất ra một dòng analog tuyến tính. Nếu là dòng 4-20ma thì chỉ có 2 dây đấu về đầu cân để đọc; hoặc truyền tải về hmi; scada để theo dõi giám sát trọng lượng sản phẩm với độ chính xác rất cao

Ngày nay; công nghệ càng phát triển nên các bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell được cải tiến đưa lên các tầm mới có sức ảnh hưởng đến quy trình hệ thống giám sát; thông qua các tín hiệu modbus rs485 đưa về tcp ip giám sát trên internet. Đồng thời; chẻ ngang một dòng relay trích dẫn nhằm cảnh báo cho người dùng thông qua vấn đề điều khiển đèn coi…..

Sơ đồ kết nối loadcell với plc

Cơ sở để kết nối các cảm biến loadcell với plc một cách trực tiếp thì chúng ta hoàn toàn không thể bởi plc là thiết bị lập trình nó chỉ có các card đọc tín hiệu analog 4-20ma 0-10v hoặc card đọc modbus rs232 / modbus rs485. Trong khi bản thân con loadcel sau khi đo đếm giám sát thì tín hiệu output ra dạng mv/v thì làm sao có thể tương thích được với các đầu đọc plc trên

Do vậy; để loadcell kết nối với plc lập trình giám sát điều khiển một cách trơn tru thì phải thông qua một thiết bị trung gian điều phối tương thích đầu ra với plc đấy chính là bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell cho ra dòng analog 4-20ma

Sau khi cảm biến loadcell thông qua bộ này thì sẽ cho ra dòng 4-20ma dưới dạng 2 dây truyền tải đến 2 đầu input vào plc một cách dễ dàng. Chúng ta chỉ quan tâm cách đấu nối loadcell với bộ khuếch đại loadcell vừa đề cập; vì mỗi đầu cân điện tử có tới 2-4 hoặc thậm chí 8 con loadcell được thiết kế ở nhiều vị trí cân bằng khác nha

 

Tư Vấn Giải Pháp Kỹ Thuật

0972 56 05 06 – 0931 429 989 Mr Thành

Mail: thanh.nguyen@huphaco.vn

Đ/C:  Số 12 Đường 310, Rosita Khang Điền, Phường Phú Hữu, TP Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh