Cảm biến loadcell là gì?

Cảm biến loadcell là gì? Loadcell là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loadcell? có bao nhiêu loại loadcell?
Đó là những câu hỏi mà mình sẽ giải đáp trong bài viết hôm nay.
Thực tế, trong nhà máy sản xuất thức ăn gia súc hoặc trong các nhà máy sản xuất giấy, đá, bột … ta đều thấy có sự xuất hiện của các loại cân điện tử. Các loại cân điện tử này sẽ giúp nhà máy giám sát được trọng lượng của từng silo chứa nguyên liệu hoặc từng lô hàng, sản phẩm.

Và cân điện tử thực ra là tên gọi bình dân thôi, còn trong chuyên ngành; người ta gọi nó bằng cái tên nghe … nước ngoài hơn.
Đó chính là … loadcell. Hay còn được gọi là cảm biến loadcell hoặc cảm biến trọng lượng, cảm biến khối lượng.
Vậy thì:

Loadcell là gì? Loadcell dùng để làm gì?

Có thể hiểu đơn giản nhất rằng loadcell là một loại cân điện tử chuyên dùng để đo trọng lượng trong nhà máy. Nó là một loại cảm biến trọng lượng có chức năng biến đổi trọng lượng (như kg, tấn, tạ, yến, mg,….) thành dạng tín hiệu điện (dạng mV/V).
Về công dụng, cảm biến loadcell chuyên dùng để đo trọng lượng trong nhà máy như đo khối lượng sản phẩm trên băng tải, giám sát khối lượng silo chứa nguyên liệu, kiểm tra trọng lượng của sản phẩm sau khi sản xuất.

Ví dụ như 1 dây chuyền sản xuất tã giấy chẳng hạn, khi sản phẩm cuối cùng ra đến băng chuyền, loadcell tại băng chuyền sẽ đo trọng lượng của sản phẩm. Nếu sản phẩm đạt được trọng lượng chuẩn sẽ được đưa tiếp qua giai đoạn đóng gói. Còn nếu khối lượng không đạt được sẽ bị loại khỏi dây chuyền.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loadcell:

Sau đây ta sẽ cùng tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến loadcell. Trên thực tế ta sẽ có nhiều loại loadcell khác nhau để phù hợp với từng mục đích sử dụng như dạng kéo (shear loadcell), dạng uốn (bending loadcell) và dạng nén (compression loadcell)…

Cấu tạo của cảm biến loadcell:

Thành phần cấu tạo cơ bản của loadcell bao gồm hai bộ phận chính là đòn cân và mạch xử lý tín hiệu điện tử.
Đối với đòn cân, ta sẽ có 2 phần chính là Strain Gauge và Load.

Trong đó thì Strain Gauge là một loại 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.

Còn phần Load (hay còn gọi là tải) là một thanh kim loại được cố định 1 đầu, 1 đầu còn lại sẽ nối với bàn cân là nơi mà ta sẽ dùng để cân.

Nguyên lý hoạt động của loadcell:

Ở phần cấu tạo của loadcell, ta đã biết các điện trở strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell. Thông thường ta sẽ có 4 cái điện trở strain gauge được nối vòng với nhau tạo thành mạch cầu Wheatstone (Wheatstone Bridge) như hình bên dưới.

Theo sơ đồ trên, một điện áp kích thích (Excitation V) được cung cấp cho ngõ vào loadcell (R1 và R4 của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác (R2 và R3).
Ở trạng thái không tải, điện áp tín hiệu ra sẽ bằng 0 hoặc gần bằng không.
Khi ta đặt vật có khối lượng lên trên dĩa cân, phần thân loadcell bị kéo-nén sẽ làm cho điện trở của các điện trở strain gauge cũng sẽ thay đổi theo do sự thay đổi độ dài và tiết diện của các dây kim loại trong điện trở.
Tuy nhiên, độ biến dạng của thanh kim loại chỉ là phần trọng lượng mà loadcell đo được. Để tìm khối lượng của vật, ta cần phải chia cho gia tốc trọng trường.
Mà gia tốc này thì không phải là một hằng số ở mọi nơi trên trái đất. Do đó, khi sản xuất cân, nhà sản xuất sẽ xây dựng một bộ hiệu chỉnh bên trong cân điện tử để hiệu chỉnh lại cân tại nơi cần sử dụng. Điều này giúp cân luôn đạt được độ chính xác mong muốn.

Giá cảm biến Loadcell:

Trên thực tế; giá của các loại loadcell có thể dao động từ vài chục ngàn lên đến vài chục triệu. Giá của loadcell phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu cấu tạo nên loadcell, khối lượng mà loadcell có thể đo được, môi trường sử dụng loadcell…
Bởi vì loadcell đóng vai trò rất quan trọng trong nhà máy và giá thành của nó cũng khá cao (nếu là loại tốt) nên việc mua các loại loadcell ,ta nên tập trung vào các thương hiệu lớn như:

Loadcell Mettler Toleto:

Đây là một hãng chuyên sản xuất loadcell rất lớn của Mỹ. Và giá thành của các loại loadcell của hãng này cũng thuộc dạng khá … chát. Giá thành của nó có thể lên đến vài chục triệu là bình thường.

Tuy nhiên, tiền nào thì của nấy các bạn à. Loại loadcell của hãng này có chất lượng rất cao, độ chính xác gần như tuyệt đối và khả năng tùy chỉnh tùy theo từng môi trường và mục đích sử dụng.

Loadcell AND:

Một hãng chuyên sản xuất loadcell của Nhật là AND. Ưu điểm của loại loadcell này là sở hữu cấu hình mạnh mẽ không kén chọn loại sàn cân.

Mặt khác, loại cảm biến được làm từ thép không gỉ, sáng bóng và dễ vệ sinh. Vì vậy nên thương hiệu này đang được dùng rộng rãi tại các nhà máy, trạm cân.

Lưu ý khi sử dụng Loadcell:

Sau đây là một vài những lưu ý nhỏ khi bạn sử dụng loadcell có thể gặp phải.

Những vấn đề làm hư hỏng loadcell:

Như ta đã biết, loadcell hoạt động dựa trên việc biến dạng của thanh kim loại ở phần thân loadcell. Vì thế khi cần đo khối lượng của 1 vật nào đó; ta nên đặt vật nặng lên cân 1 cách từ từ. Tránh quăng, ném lên cân sẽ làm thanh kim loại biến dạng liên tục làm tăng sai số của loadcell. Và lâu dần có thể làm hư hỏng loadcell.
Ngoài ra thì mỗi loại loadcell sẽ có 1 giới hạn cân nhất định, ví dụ như loadcell 3kg; loadcell 300kg, loadcell 30 tấn… Mỗi loại này có một giới hạn đo nhất định; và ta không nên cân khối lượng vượt quá con số này. Nếu không thì cân sẽ rất dễ bị hư hỏng.

Chuyển đổi tín hiệu loadcell sang analog:

Tín hiệu output của loadcell là dạng áp mV/V. Thông thường nó rơi vào khoảng 2-3mV/V trên 1 đầu cân. Đây là một tín hiệu rất nhỏ nên rất dễ bị nhiễu, nhất là trong trường hợp nhà máy của bạn có nhiều mô tơ công suất lớn hoặc biến tần.
Thêm nữa là khi ta cần phải đưa tín hiệu mV/V của loadcell về PLC để lập trình; điều khiển thì sẽ có trường hợp là một vài loại PLC không đọc được trực tiếp tín hiệu từ loadcell mà chỉ đọc được tín hiệu 4-20mA/0-10V.
Chính vì vậy khi sử dụng loadcell; người ta thường dùng thêm 1 bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell hay còn được gọi là bộ khuếch đại tín hiệu loadcell.
Bộ chuyển đổi này ngoài việc có thể chuyển tín hiệu từ mV/V sang 4-20mA / 0-10V thì còn có khả năng cách ly chống nhiễu tín hiệu và truyền thông ModBUS RTU giúp truyền tín hiệu đi xa hơn (lên đến 1200m).

Trong 1 bài viết khác, mình có giới thiệu về bộ này. Bạn có thể tham khảo thêm tại địa chỉ:

Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell Seneca Z-SG

Trên đây là những chia sẻ của mình về cảm biến loadcell. Hy vọng bài viết đã cung cấp cho bạn những thông tin bổ ích. Nếu bài viết còn có gì cần bổ sung, hãy giúp mình bằng cách comment phía bên dưới.
Nếu bài viết này bổ ích, hãy cùng share để mọi người có thể biết được.
Xin cảm ơn.