Loadcell gì ? Sơ đồ chân – cấu tạo

Loadcell được biết với nhiều tên gọi khác nhau tùy theo ứng dụng như: đầu cân điện tử, đầu cân loadcell, cảm biến lực căng, cảm biến lực nén, cảm biến loadcell, loadcell cân điện tử, loadcell sensor … Tất cả đều đều liên quan tới cân – đo – kéo – nén một vật thể nào đó.

Vậy loadcell là gì mà có thể làm được nhiều đến thế.

Nội Dung Chính

Loadcell là gì?

Loadcell là một thiết bị dùng để đo lực kéo, lực nén thành giá trị kg, tấn. Loadcell còn được gọi là cảm biến lực, khi có lực tác động lên loadcell thì sự biến dạng bên trong loadcell sẽ biến đổi thành tín hiệu điện.

Các bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell hay đầu cân loadcell sẽ đọc các tín hiệu điện này để quy đổi thành trọng lượng thực tế một cách chính xác.

Loadcell chia làm hai loại chính:

Loadcell kéo thường dùng cho các cẩu trục, căng cáp cầu treo – cầu văng…
Loadcell nén dùng cho hầu hết các ứng dụng cân.

Sơ đồ chân loadcell

Tất cả các loadcell đều quy ước chung về sơ đồ chân loadcell, tuy nhiên mỗi hãng có thể thay đổi màu dây cho phù hợp với dây chuyền sản xuất của từng hãng. Anh em nên xem ký hiệu trên từng loadcell để đảm bảo kết nối đầu cân chính xác.

Loadcell sẽ có 4 dây hoặc 6 dây tùy theo hãng sản xuất. Loadcell 6 dây sẽ thêm 2 dây SEN(+) và SEN(-) với chức năng chống nhiễu.

+EXC:Chân cấp nguồn dương. Chân này được kết nối với nguồn điện dương.
-EXC:Chân cấp nguồn âm. Chân này được kết nối với nguồn điện âm.
+SIG:Chân tín hiệu dương. Chân này truyền tín hiệu từ loadcell đến thiết bị đầu cân loadcell hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell.
-SIG:Chân tín hiệu âm. Chân này truyền tín hiệu từ loadcell đến thiết bị đầu cân loadcell hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell.
+SEN:Chân tín hiệu chống nhiễu dương.
-SEN:Chân tín hiệu chống nhiễu âm.

Như vậy, nếu được lựa chọn loadcell ngay từ ban đầu anh em nên chọn loadcell 6 dây thay vì 4 dây.

Cấu tạo loadcell

Loadcell có cấu tạo khá đơn giản: chịu lực và biến trở.

Đế cố định: vị trí bắt loadcell vào đế. Loadcell sẽ chịu hoàn toàn lực tác động của trọng lượng cần đo.
Thành phần chịu lực: đây là thành phần gánh chịu tất cả các lực tác động vào loadcell. Thành phần chịu lực sẽ có 1 đầu được bắt cố định vào đế, phần còn lại sẽ nhận tác động từ lực bên ngoài.
Biến trở: có kích thước khá nhỏ được lắp nằm ở trung tâm phần biến dạng của phần chịu lực. Phần biến trở này được gọi là Strain gage.

Nguyên lý hoạt động của loadcell

Do loadcell được cố định vào 1 đế cố định, đầu còn lại sẽ chịu lực nén hoặc kéo. Khi chịu lực tác động phần thân của loadcell, nó sẽ biến dạng ( rất nhỏ – khó nhận ra bằng mắt thường ).

Độ biến dạng này được lắp thêm một biến trở ( mình đánh dấu màu vàng ) rất mỏng có 4 dây hoặc 6 dây sao cho có thể xuất được tín hiệu điện dạng mv/v tương ứng với độ biến dạng của loadcell.

Ta thấy rằng loadcell có nguyên lý hoạt động khá đơn giản. Thông thường loadcell có 4 dây. Trong đó: 2 dây cung cấp nguồn được ký hiệu là EX+ và EX- hay GND.

Hai dây còn lại là dây tín hiệu ngõ ra dạng mv/v khi có lực tác động vào loadcell. Vd: loadcell có thông số 100kg tín hiệu ngõ ra 2mv/v.

Điều này có nghĩa rằng: tại 1 kg sẽ tương ứng 0,02 mv/v

Tại 0 kg tín hiệu ngõ ra sẽ là 0mv/v
Tại 50 kg tín hiệu ngõ ra là 1mv/v
Tại 100 kg tín hiệu ngõ ra là 2mv/v

Tín hiệu ngõ ra dạng mv/v sẽ tăng giảm tương ứng theo tỉ lệ lực tác động. Còn đối với loadcell 6 dây thì hai dây còn lại là dây chống nhiễu. Còn lại chức năng hoàn toàn tương tự.

Đầu cân loadcell

Một đầu cân loadcell sẽ bao gồm một hoặc nhiều loadcell tùy theo trọng lượng cần cân. Một đầu cân có thể có 1, 4, 8, 10 loadcell cùng khối lượng.

VD: để cân một bồn chứa nguyên liệu cám có trọng lượng 100 tấn. Tùy vào số chân hiện hữu của silo chứa nguyên liệu co 4 chân, 6 chân hay 8 chân mà người ta chia đều trọng lượng cho từng loadcell.

Nếu 100 tấn có 4 chân thì mỗi loadcell phải có khả năng chịu lực 100:4 = 25 tấn. Khi đó bạn cần một hộp nối loadcell trước khi truyền tín hiệu về bộ khuyếch đại loadcell hoặc đầu cân loadcell.

Hộp nối loadcell hay còn gọi là bộ cộng loadcell

Hộp nối loadcell còn được gọi với nhiều tên gọi khác như bộ cộng loadcell, junction box, bộ trở kháng loadcell … Nhiệm vụ của hộp nối là gôm chung nhiều loadcell lại với nhau rồi cho ra duy nhất một đầu tín hiệu về bộ khuyếch đại loadcell hay đầu cân loadcell.

Kết nối loadcell với hộp nối loadcell:

Loadcell 1: kết nối các chân EX+, EX-, SI+, SI-, SE+, SE- vào Terminal 1 trong hộp nối.
Loadcell 2: kết nối các chân EX+, EX-, SI+, SI-, SE+, SE- vào Terminal 2 trong hộp nối.
Loadcell 3: kết nối các chân EX+, EX-, SI+, SI-, SE+, SE- vào Terminal 3 trong hộp nối.
Loadcell 4: kết nối các chân EX+, EX-, SI+, SI-, SE+, SE- vào Terminal 4 trong hộp nối.

Kết nối đầu ra bộ cộng loadcell với đầu cân loadcell:

Đầu ra các chân EX+, EX-, SI+, SI-, SE+, SE- kết nối với đầu cân loadcell STR561 EX+ ( 7 ), EX- ( 13 ), SI + ( 14 ), SI- ( 15 ).

Nếu là loadcell 6 dây thì SE+ sẽ nối chung EX+, còn SE- nối chung EX-.

Đầu cân loadcell

Đầu cân loadcell làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu trực tiếp từ loadcell hoặc các hộp nối loadcell. Tất cả các đầu cân đều có chức năng tùy chỉnh TARE, Zero, Spans.

Tức là nếu đầu cân của anh em là 10 tấn thì đầu cân loadcell sẽ không biết nó là bao nhiêu. Anh em cần cài đặt điểm Zero và Spans tương ứng 0 và 10 tấn.

Các đầu cân loadcell đều có chức năng TARE, để đưa giá trị loadcell về 0 sau 1 thời gian cân. Các loadcell đều bị trôi khi cân tải 1 hoặc nhiều lần. Tùy theo loại loadcell trôi nhiều hay ít. Các nút TARE có thể nhận từ nút nhấn bên ngoài hoặc nút nhấn ngay trên màn hình đầu cân.

Bộ khuyếch đại loadcell

Bộ khuyếch đại loadcell là một thiết bị không thể thiếu khi bạn muốn lấy tín hiệu loadcell về giám sát hay điều khiển thông qua PLC, Scadar.

Loadcell truyền tín hiệu về là mv/v thường là 1mv/v, 2mv/v và có một số loadcell khác có giá trị 3mv/v hoặc 4mv/v…

Các tín hiệu mv/v của loadcell rất nhỏ làm cho PLC hay các modul điều khiển không thể đọc được một cách trực tiếp. Bộ khuyếch đại loadcell là thiết bị duy nhất nằm trung gian để chuyển đổi tín hiệu loadcell mv/v thành tín hiệu analog 4-20mA / 0-10V hoặc modbus RTU / Modbus TCP-IP và Profinet.

Bộ khuyếch đại loadcell có nhiều version khác nhau, chủ yếu là ngõ ra:

Z-SG: cho tín hiệu ngõ ra Analog 4-20mA / 0-10V
Z-SG3: cho tín hiệu ngõ ra 0-20mA, 0-10V và hỗ trợ sâu Modbus RTU chuyên dụng
ZE-SG3: cho tín hiệu ngõ ra 0-20mA, 0-10V, Modbus RTU, Modbus TCP-IP
ZE-SG3-P: thiết kế riêng cho Siemens với truyền thông Profinet

Một trong những ưu điểm lớn nhất của bộ khuyếch đại loadcell so với các modul mở rộng của PLC đó chính là khả năng Scales tín hiệu đầu vào và quy đổi giá gì mv/v thành số thực của đầu cân.

Vd: đầu cân 5 tấn có tín hiệu đầu ra 2mv/v nhưng thực tế anh em chỉ dùng có 3 tấn. Lúc này bộ khuyếch đại loadcell sẽ cài đặt 0-3 tấn tương ứng 4-20mA hoặc truyền thông về Modbus RTU, TCP-IP, Profinet.

Lúc này trong PLC bạn không cần phải scales lại hay tùy chỉnh gì khác. Nếu anh em sử dụng modul mở rộng của PLC anh em phải đọc hết 0-5 tấn. Lúc này sai số sẽ cao hơn rất nhiều so với dùng bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell.

Như vậy, mình đã chia sẻ các thông tin về loadcell như loadcell là gì, cấu tao, nguyên lý loadcell cũng như cách kết nối bộ cộng loadcell, đầu cân loadcell cũng như bộ khuếch đại loadcell.

Nếu có thắc mắc về đầu cân liên quan loadcell hãy liên hệ với mình xem giúp được gì không nhé.

Chúc anh em thành công !

Kỹ sư Cơ – Điện tử

Nguyễn Minh Hòa