Công nghệ load cell (cảm biến lực)
Trái tim của bất kỳ hệ thống cân nào chính là load cell (cảm biến lực). Mặc dù chẳng thú vị gì để tìm hiểu, nhưng các load cell là các bộ chuyển đổi có độ chính xác cao, cung cấp cho người dùng thông tin mà các công nghệ khác không thể có được do các yếu tố thương mại.
Các load cell được thiết kế để cảm nhận lực hoặc trọng lượng dưới các điều kiện bất lợi. Chúng không chỉ là bộ phận thiết yếu quan trọng nhất của hệ thống cân điện tử mà còn dễ bị tổn thương nhất.
Để thu lợi được nhiều nhất từ load cell, người dùng phải có sự hiểu biết kỹ lưỡng về công nghệ, câu trúc và cách thức hoạt động của thiết bị độc đáo này.
Ngoài ra, điều bắt buộc là người dùng phải chọn đúng loại load cell cho ứng dụng và bảo dưỡng cần thiết cho load cell trong suốt vòng đời của nó.
Hiểu được những điều quan trọng này và bảo dưỡng đúng cách các load cell sẽ đảm bảo cho hệ thống cân không gặp trục trặc trong thời gian dài.
Các load cell có thể bị hỏng do (bị sốc) quá tải, sét đánh hoặc xung dòng điện cao, hóa chất hoặc hơi ẩm, sai sót trong vận hành (để rơi, nâng cáp, v.v.), rung động mạnh, chấn động hoặc trục trặc thành phần bên trong.
Bài viết này sẽ tập trung vào những điều được phép làm và những điều không được phép làm đối với các load cell cũng như thiết kế hệ thống cơ bản.
1. Chọn lựa load cell
Việc lựa chọn load cell dựa trên các tiêu hoạt động ít hỏng hóc liên quan chủ yếu đến mức chịu tải đúng trọng lượng, cấp chính xác và chống chịu thời tiết của chính nó, hơn là một nguyên lý đo lường cụ thể như uốn, cắt, nén hoặc xoắn vòng.
Khi nói ra điều này, cũng cần phải nhìn nhận rằng một nguyên lý đo cụ thể có thể mang lại những lợi thế khác biệt về khả năng chịu được quá tải hoặc lắp đặt dễ dàng hay không.
Các nguyên lý hoạt động khác nhau sẽ được nói qua vắn tắt.
1.1 Load cell kiểu biến dạng kế
Phần tử cảm biến hoặc lò xo là thành phần cấu tạo chính của load cell loại này. Thành phần này được thiết kế sao cho sẽ bị biến dạng, tỷ lệ thuận với tải trọng đặt lên.
Các phần tử cảm biến thường được làm bằng thép hợp kim cường độ cao (mạ niken để bảo vệ khỏi các điều kiện môi trường), thép không gỉ cường lực, hợp kim nhôm được xử lý nhiệt hoặc hợp kim đồng beryllium.
Bằng cách liên kết các biến dạng kế với một phần tử được gia công chính xác, lực đặt lên có thể được xác định bằng các thay đổi của điện trở.
Các biến dạng kế, thường là bốn hoặc bội số của bốn. Được kết nối theo sơ đồ cầu Wheatstone để chuyển đổi các thay đổi rất nhỏ của điện trở thành tín hiệu điện để có thể sử dụng.
Các thành phần tử thụ động như điện trở và dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ được sử dụng để bù và hiệu chỉnh tín hiệu đầu ra của cầu này.
1.1.1 Load cell dạng uốn
Các phần tử cảm biến chịu các moment uốn được sử dụng rộng rãi, trong nhiều cấu hình, đối với các bộ chuyển đổi thương mại. Dầm uốn cung cấp các mức độ biến dạng cao ở các lực tương đối thấp.
Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho các load cell có mức chịu tải trọng nhỏ.
Hơn nữa, trong trường hợp dầm có tiết diện đối xứng về trục uốn, luôn có có hai bề mặt chịu các biến đổi ngược dấu bằng nhau. Điều này cung cấp các phương tiện thuận lợi để tạo thành một mạch cầu đầy đủ, trong khi việc bù nhiệt độ là tương đối dễ dàng.
Hầu hết các sản phẩm sử dụng nguyên lý uốn là loại hình bình hành hoặc uốn đôi.
Nguyên lý Uốn cung cấp độ tuyến tính tuyệt vời. Dầm uốn có các mức độ biến dạng tương đối cao với độ biến dạng lớn hơn so với các nguyên lý đo khác.
Ngược lại điều này có nghĩa là mặc dù load cell chịu quá tải tĩnh lớn hơn, nhưng việc “nghỉ cơ học” (mechanical stop) là khả thi hơn. Khả năng chịu được quá tải động là tuyệt vời vì độ biến dạng cao điển hình.
1.1.2 Load cell dạng cắt
Các load cell dạng cắt (dầm) đang trở nên ngày càng phổ biến cho tất cả các loại ứng dụng có tải trọng từ trung bình cho đến cao.
Load cell nguyên lý dạng cắt cung cấp một cấu hình tiêu chuẩn cho một mức chịu tải nhất định, khả năng chống chịu tốt với tải trọng biên và độ nhạy tương đối nhỏ đối đối với điểm chịu tải.
Tại mặt cắt A-A của dầm, một hốc được gia công ở mỗi bên, để lại một thân tương đối mỏng ở trung tâm. Giống như trong dầm cấu trúc chữ I, hầu hết lực cắt do tải trọng được thực hiện bởi mạng này, trong khi moment uốn bị chống lại chủ yếu bởi các mặt bích. Ở trục trung hòa, nơi ứng suất uốn không đáng kể, trạng thái ứng suất trên thân là một trong những lực cắt thuần túy, hoạt động theo hướng dọc và ngang.
Kết quả là, các trục nguyên lý nằm ở vị trí ± 45º so với trục dọc của dầm. Và các độ biến dạng chính tương ứng có độ lớn bằng nhau và ngược dấu. Các cặp biến dạng kế được lắp đặt trên cả hai mặt của thân dầm và được nối vào trong mạch cầu-đủ (full-bridge) để đo lường tải trọng.
Mặc dù việc lắp đặt các biến dạng kế ở một số dạng lõm khó khăn hơn, chúng có thể dễ dàng được bịt kín và bảo vệ chống lại các tác động môi trường.
Các load cell cắt mức chịu tải thấp rất khó sản xuất, vì chúng đòi hỏi một màng rất mỏng để có được mức độ biến dạng cần thiết .
Các load cell cắt mức chịu tải cao thường được dựa trên các thân cắt kép trong kết cấu của dầm chịu tải, vì các dầm đơn trở nên đắt đỏ và cồng kềnh khi lắp đặt.
Các load cell cắt tương đối không nhạy cảm với điểm tải và cung cấp khả năng bảo vệ tốt cho tải trọng biên.
Điều này đơn giản hóa việc sử dụng nó trong nhiều ứng dụng cân. Khả năng chịu được quá tải thường tốt hơn một chút so với dầm uốn, mặc dù các điểm nghỉ cơ học ít khả thi hơn vì độ biến dạng tối thiểu.
1.1.3 Load cell dạng nén
Load cell dạng nén có thể dựa trên các đo lường cắt, uốn, xoắn vòng hoặc cột. Load cell cột có lịch sử bắt nguồn từ cảm biến đo độ biến dạng sớm nhất.
Như được chỉ ra dưới đây, phần tử cột bao gồm một (cột đơn) hoặc nhiều cột.
Mặc dù về nguyên lý thì khá đơn giản, phần tử cột có một số đặc điểm cụ thể khiến các load cell loại này khó thiết kế và sản xuất. Bản thân phần tử cột phải đủ dài, tương quan đến mặt cắt ngang của nó, để cung cấp trường biến dạng đồng nhất, không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện cuối.
Do cấu trúc dạng cột chịu các hiệu ứng bậc hai từ các thành phần tải ngoài trục hoặc ngoài tâm, nên các biện pháp phải được thực hiện để giảm thiểu những điều này, ví dụ như sử dụng hai màng chắn ở đầu trên của cột.
Các load cell cột vốn đã không tuyến tính do sự thay đổi trong tiết diện, bị biến dạng khi mang tải (tỷ lệ Poisson). Sự phi tuyến này có thể được bù bằng các thiết bị đo bán dẫn, được kết nối trong dây dẫn kích thích âm và dương.
Do đó, đầu ra của thiết bị đo bán dẫn đóng vai trò phản hồi để điều chỉnh điện áp cầu theo hướng ngược lại với sai số phi tuyến.
Các load cell cột đơn trở nên cao và khó thao tác (nặng), khi được thiết kế cho các tải rất nặng. Các hộp cấu hình thấp có thể được lấy nếu tải được mang theo từ ba cột trở lên, mỗi cột có bộ đo lường riêng.
Các thiết bị đo tương ứng cho tất cả các cột được đấu nối tiếp trong các nhánh của cầu Wheatstone thích hợp. Kết quả không chỉ là một cấu hình tổng thể thấp, mà còn cải thiện được hiệu suất khi load cell mang tải bị nằm ngoài tâm hoặc ngoài trục.
Các load cell loại nén không bị ảnh hưởng bởi xung trọng lượng thường được liên kết với dầm. Dẫn đến khả năng chịu quá tải là tuyệt vời. Tuy nhiên, độ biến dạng tương đối nhỏ làm cho các loại load cell này nhạy cảm hơn với tải sốc.
1.1.4 Load cell xoắn vòng
Nguyên lý đo độ xoắn vòng tương đối mới và lý tưởng cho các dải chịu tải thường được sử dụng bởi các dầm cắt và uốn.
Model load cell RLC của VPG là một cấu hình thấp, load cell xoắn vòng thép không gỉ, dựa trên một mạch cầu đầy đủ gồm bốn thiết bị đo biến dạng tròn.
Các thiết bị đo biến dạng được liên kết với một phần hình vòng của phần tử sẽ uốn cong khi tải được đưa vào. Quá trình này sẽ làm giảm đường kính vòng ở đỉnh, trong khi phía dưới đáy lại tăng đường kính.
Do đó, hai thiết bị đo được nén lại và hai thiết bị đo bị căng ra, khi thiết bị chịu tải.
Thiết kế hình học của phần tử cảm biến cung cấp các thông số kỹ thuật nâng cao về độ rão và độ trễ so với nguyên lý cắt và uốn.
Do chế độ tải nén, thiết bị không bị chịu tác động của xung tải thường đi liền với dầm. Và do đó làm cho nó vốn đã an toàn hơn, trong khi vẫn duy trì cấu hình cực kỳ thấp.
Bảo vệ quá tải cơ học được thiết lập bằng khoảng cách xác định trước giữa “vòng giới thiệu tải” (load introduction ring) và bệ gối (base plate). Các load cell xoắn vòng có biến dạng rất thấp, điều này lý tưởng cho việc cân tốc độ cao, nhưng chúng cũng nhạy hơn với sốc quá tải.
