A. TÌM HIỂU CHUNG VỀ LOADCELL

1. Khái niệm Load cell
1.1.Khái niệm
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.
Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.
Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm.Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.1. Cấu tạo
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.
2.2. 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 đótrả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.

3. 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.
- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.
- 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.
- 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 của Loadcell 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 của Loadcell 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.
4.Phân loại
Có thể phân loại loadcells như sau:
- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịunén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) 
- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S 
- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.

 5. Ứng dụng của Loadcell.

Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay.

Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải.
Một số ứng dụng khác:
- Trong ngành công nghệ cao:
Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcellnày được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.

- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:
Công nghệ sử dụng:
Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC
Sơ lược hoạt động:
Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể hiện trong sơ đồ dưới đây, Loadcell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao bì một cách chính xác.

Hệ thống hoạt động:
+ Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết.
+ Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcell sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc.
+ Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa.
+ Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động.
- Ứng dụng trong cầu đường
Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.

6. Các loại Loadcell cơ bản
6.1. Loadcell tương tự
a)Khái niệm
Loadcell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là Loadcell tương tự. Tínhiệu 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 hợpđược tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng Loadcell. Các thiết bị đolường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổiADC, 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.
b) 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 ứngdụng 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 xilô 
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 ởmỗi 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, 

6.2. Loadcell số
a) 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.

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.

7. Kết nối Loadcell
7.1. Loadcell tương tự
Trong đó:
+Excitation (Điện áp kích thích) là đầu vào dương của điện áp cung cấp
–Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp
+Output là tín hiệu ra dương của Loadcell
–Output là tín hiệu ra âm của Loadcell
+sense và –sense là các dây dẫn đựoc nối trực tiếp với Excitation. Nói chung để tránh nhiễu. Có loại Loadcell thì có, có loại thì không. Có thể nốicũng dược mà không nối cũng được. Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối.
7.2. Loadcell số
Loadcell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 4 mô hình ứng dụng điển hình.
Chú ý: Đầu ra của loadcell số có thể được thiết kế theo giao diện Profilebus PC, DeviceNet, EtherNet/IP, ModBus, RS232,RS422,RS485, 4-20mA, 0-10VDC. Thậm chí có cả giao tiếp qua cổng USB. Nên ta có thể tùy chọn loại Loadcell có giao diện phù hợp và có thể kết nối trực tiếp đến PLC, PC, 
v Mô hình 1:
Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485. Các Loadcell nối với nhau thành cấu trúc hình sao. Junction Box hỗ trợ nối song song 8 Loadcell số. Card RS422/RS485 cho phải 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 Loadcell với máy tính chủ, chống lại các ảnh hưởng có hại như xung điện hoặc quá áp.

Mô hình 3:
Với hệ thống Loadcell 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 Loadcell số.

Mô hình 4:
Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp trực tiếp với các Loadcell 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

8. Chống quá tải Loadcell
8.1. Các tình huống chú ý khi sử dụng Loadcell
- Điện áp đầu vào vượt quá ngưỡng cho phép: gây sai số lớn trong việc đo lường. ngoài ra gây hiện tượng đoản mạch làm hỏng Loadcell
- Đo lực quá lớn: khi đo lực vượt mức giới hạn đo của Loadcell gây sai số lớn. có thể gây hỏng phần cứng của Loadcell, ảnh hưởng tuổi thọ của Loadcell.
- Do sót trong lắp ghép: có thể khiến load cell không hoạt động hoặc hoạt động nhưng cho kết quả sai
Ngoài ra còn nhiều vấn đề ảnh hưởng chế độ làm việc và tuổi thọ của Loadcell nói riêng và hệ thống đo lường nói chung cần chú ý như: thời gian làm việc, môi trường làm việc và chế độ bảo dưỡng .
8.2. Khắc phục
Để đảm bảo chế độ hoạt động tốt cho Loadcell trước tiên cần nắm vững các thông số của Loadcell đang sử dụng. cần phải lắp ráp đúng và chính xác Loadcell trong mạch do. Tránh để Loadcell hoạt động ở chế độ quá tải. có chế độ bảo trì thường xuyên 
9. Cách lựa chọn Loadcell và phụ kiện
9.1. Lựa chọn Loadcell
Khi lựa chọn Loadcell thì các thông số cần phải quan tâm là:
- Chọn loại tương tự hay loại số?
- Các thông số như mV/V là gì, tín hiệu vào ra, tầm sử dụng tải 
- Cấu tạo Loadcell, thụ động (thuần trở) hay tích cực (bán dẫn), độ ổn định, chịu nhiệt, chịu nước, chống nhiễu 
- Kết cấu của ứng dụng, lưc tập trung, lực phân bố, tải trọng tỉnh, tải trọng động 
- Phương pháp cân: chất lỏng chất rắn, cân kiểm tra, cân định lượng,cân phân loại, cân gián tiếp liên tục (cân băng tải) 
- Thiết bị đọc tín hiệu: Indicator, PLC, Micro Controler, PC 
- Xử lí tín hiệu: ADC, mạch lọc, mạch tích phân, chống rung, khử xung nhiễu, khử quán tínhh, ghép nhiều Loadcell, giải thuật, độ chính xác,hiệu chỉnh 
9.2. Chọn hộp nối(Junctionbox)
Sau khi đã lựa chọn xong Loadcell, tuỳ theo số lượng Loadcell và loại Loadcell mà ta chọn loại hộp nối là loại 4 đầu hoặc 8 đầu nối. Cũng từ chế độ dòng áp của Loadcell mà ta lựa chọn chế độ dòng áp của hộp nối cho phù hợp. Một số thông số cần quan tâm khi chọn hộp nối:
- Số đầu đo của Loadcell phải bằng hoặc lớn hơn số Loadcell của cân.
- Khả năng chỉnh góc của hộp nối.
- Cấp bảo vệ của hộp nối. (Ví dụ như IP65, IP66, )
- Chọn bộ hiển thị (Indicator)
Bộ hiển thị thông thường có hai loại:
- Loại hiển thị số: đó là những bộ hiển thị mà nó nhận tín hiệu đầu vàodạng số. Đối với loại hiển thị số thì thường chọn loại hiển thị cùng chủng loại với chủng loại của load cell. 
- Loại hiển thị tương tự: là bộ hiển thị có tín hiệu đầu vào dạng tương tự. Có thể chọn loại bộ hiển thị cùng chủng loại với Loadcell. Tuy nhiên, loại hiển thị đó phải đáp ứng được yêu cầu:
+ Phù hợp trở kháng đầu vào giữa Loadcell và bộ chỉ thị.
+ Nguồn cấp cho Loadcell từ bộ chỉ thị phải phù hợp.
+ Độ phân giải của bộ hiển thị và mức tín hiệu đưa về từ Loadcell
+ phải phù hợp.
+ Mức tín hiệu
Ghép nối tín hiệu từ thiết bị hiển thị là tín hiệu đã được số hoá và đưa ra cổng nối tiếp theo chuẩn RS232 hoặc RS485. Vì vậy, để đưa về máy tính thì ta thu thập qua cổng COM của máy tính. Tín hiệu bắt về đã được thiết bị chỉ thị chuyển đổi và đưa về theo từng khung dữ liệu chuẩn.
Để đảm bảo cách ly tín hiệu giữa máy tính và các thiết bị điện tử ở bên ngoài thì thông thường tín hiệu trước khi đưa trực tiếp vào cổng COM của máy tính thì nó được nối cách ly bằng một card cách ly quang. Tín hiệu thuvề không thay đổi định dạng khung dữ liệu và tốc độ truyền.

Địa chỉ liên hệ:

CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG G7

Trụ sở chính : Số 8, Phố Trần Điền, Phường Định Công, Quận Hoàng Mai, TP. Hà Nội.

Văn phòng GD: Tầng 6 Tòa Nhà BMM, Khu Đô Thị Xa La, Quận Hà Hà Đông, TP. Hà Nội.  

Tel: 02466 586 999 - 0983.762.179 - Mr Chuyền

Nhà máy: Lô V8, Khu CN Khai Sơn, Thuận Thành , Bắc Ninh. 

Hotline: 0983.762.179 - Email: Electrical1223@gmail.com