Loadcell kỷ thuật số, công nghệ mới

Cảm biến lực kỹ thuật số (Loadcell digital)
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, loadcell 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 loadcell, 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 mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau và 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 load cell tương tự và số là mặc dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập.

Load cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 4 mô hình ứng dụng điển hình.

Mô hình 1.

Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485. Các load cell nối với nhau thành cấu trúc hình sao. Junction Box hỗ trợ nối song song 8 load cell số. Card RS422/RS485 cho phép kết nối trực tiếp đến máy tính PC hoặc PLC.

Mô hình 2.

Mô hình này chỉ khác với mô hình 1 là có thêm các thiết bị bảo vệ SPD cho hệ thống load cell và máy tính chủ, chống lại các ảnh hưởng có hại như xung điện hoặc quá áp.

Mô hình 3.

Với hệ thống load cell số, các load cell có thể hoạt động như các thiết bị độc lập, nhận dạng trong hệ thống bằng địa chỉ của nó. Vì vậy, nhiều hệ thống có thể cùng dùng chung một thiết bị điều khiển, đơn giản chỉ cần đi đường dây mạng liên kết chúng về một trạm điều khiển. Thông thường một trạm chủ này có thể quản lý được đến 32 load cell số.

Mô hình 4.

Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp trực tiếp với các load cell hoặc với Junction Box. Ngoài chức năng hiển thị, bộ hiển thị này có thể thực hiện một số chức năng điều khiển khác thông qua các đầu vào ra.

Khái quát lại, hệ thống cân dùng load cell số có một số ưu điểm nổi bật sau:

Với đầu ra số, hệ thống có được:

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 load cell.

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.