Các nguồn sai số khi đo lực bằng load cell: lệch tâm, rão, trễ, nhiệt độ và ngân sách sai số

Vì sao đo lực thực tế sai hơn phiếu thông số load cell: lệch tâm và gá lắp, rão, trễ, phi tuyến, nhiệt độ, cáp và bộ đọc; ví dụ ngân sách sai số và danh sách kiểm tra nhanh.

Phiếu thông số của một load cell tốt ghi sai số tổng hợp chỉ khoảng 0,02 % toàn thang. Vậy mà đo thực tế lại lệch 0,1–0,5 %, thậm chí hơn. Khoảng cách đó đến từ những thứ không nằm trong phiếu thông số: lực đặt lệch tâm, lực ngang, nhiệt độ thay đổi, thời điểm đọc số, cáp và bộ đọc. Bài này đi qua từng nguồn sai số khi đo lực bằng load cell, cho biết độ lớn điển hình, cách nhận ra và cách giảm, rồi gộp lại thành một ngân sách sai số cụ thể để thấy nguồn nào thực sự quyết định kết quả.

1. Bản đồ các nguồn sai số

Có thể chia các nguồn sai số thành hai nhóm:

• Đặc tính của chính load cell: phi tuyến, trễ, rão, hệ số nhiệt độ, độ lặp lại. Nhà sản xuất ghi trên phiếu thông số, hiệu chuẩn đo được và một phần hiệu chính được.
• Điều kiện sử dụng: lực lệch tâm, lực ngang, gá lắp, nhiệt độ thực tế, cáp, bộ đọc, cách đọc. Phiếu thông số không nói gì về nhóm này, và đây thường là nhóm lớn hơn.

2. Lực lệch tâm, lực ngang và gá lắp

Load cell được thiết kế để đo lực dọc trục đi qua tâm. Khi lực lệch tâm hoặc nghiêng, phần tử đàn hồi chịu thêm mô men uốn; strain gauge không bù hết nên độ nhạy thay đổi. Lực ngang và mô men xoắn (do bồn giãn nở nhiệt, ống nối cứng, va chạm của vật liệu) cũng làm số chỉ sai.

• Nhận ra: xoay load cell hoặc đổi vị trí đặt tải, số chỉ thay đổi; kết quả hiệu chuẩn theo ISO 376 có độ tái lập b lớn hơn nhiều so với độ lặp lại b'.
• Giảm: dùng đệm tì, khớp cầu, chân đế tự lựa, thanh giằng chống lật; bề mặt tì phẳng, đủ cứng; ren lắp đúng chiều sâu và mô men siết theo hướng dẫn.
• Nguyên tắc: lắp load cell giống hệt lúc hiệu chuẩn, dùng cùng phụ kiện.

3. Rão: số chỉ thay đổi khi giữ tải

Dưới tải không đổi, vật liệu đàn hồi và lớp keo dán strain gauge biến dạng thêm rất chậm, số chỉ trôi dần. Load cell tốt có rão khoảng 0,02 % sau 30 phút; load cell rẻ có thể gấp nhiều lần. Rão quan trọng với cân bồn chứa hàng giờ, giá thử giữ tải lâu, kiểm tra kết cấu.

• Đọc số vào thời điểm cố định sau khi đặt tải, giống lúc hiệu chuẩn (ISO 376 đọc sau khoảng 30 giây).
• Phép đo giữ tải lâu cần load cell có thông số rão tốt và tính rão vào độ không đảm bảo.
• Sau khi bỏ tải lâu, điểm 0 cần thời gian hồi phục: chờ trước khi trừ bì cho lần đo kế tiếp.

4. Trễ và phi tuyến

• Phi tuyến là độ cong của đặc tuyến so với đường thẳng. Hiệu chính bằng đa thức bậc hai hoặc ba từ kết quả hiệu chuẩn bỏ được gần hết; chỉ dùng hệ số tuyến tính thì phi tuyến nằm nguyên trong sai số.
• Trễ là chênh lệch giữa khi tăng và khi giảm tải ở cùng một lực. Nếu phép đo chỉ có chiều tăng (như thử kéo), dùng đường tăng tải và không chịu sai số trễ. Nếu đo cả khi giảm tải (cân xuất hàng từ bồn), phải tính trễ vào độ không đảm bảo hoặc hiệu chuẩn riêng nhánh giảm.

5. Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng theo hai cách: trôi điểm 0 (cộng một lượng không đổi vào mọi số chỉ) và trôi độ nhạy (tỉ lệ với lực đang đo). Ngoài ra, chênh nhiệt độ giữa các phần của load cell (nắng chiếu một phía, vật liệu nóng chảy qua) gây sai số lớn hơn nhiều so với nhiệt độ đều.

• Trừ điểm 0 ngay trước mỗi lần đo, khi không tải, loại được phần trôi điểm 0.
• Che nắng, cách nhiệt cho load cell ngoài trời; để load cell cân bằng nhiệt trước khi đo.
• Hiệu chuẩn ở nhiệt độ gần với lúc sử dụng, hoặc tính phần chênh nhiệt độ vào độ không đảm bảo.

6. Cáp, nguồn kích và bộ đọc

• Điện trở cáp làm giảm điện áp kích thích thật ở load cell; điện trở cáp đổi theo nhiệt độ. Nối 6 dây có dây sense để bộ đọc đo và bù; nếu nối 4 dây, hiệu chuẩn với đúng sợi cáp đó và không cắt nối lại.
• Đo tỉ lệ (ratiometric): bộ đọc lấy chính điện áp kích thích làm điện áp tham chiếu cho ADC, nên dao động nguồn kích không làm sai kết quả. Module HX711 hoạt động theo nguyên lý này khi load cell và chân tham chiếu dùng chung nguồn.
• Nhiễu và độ phân giải: tín hiệu toàn thang chỉ vài mV; cáp chống nhiễu nối đất một đầu, tránh đi cùng cáp động lực, lọc trung bình đủ để số chỉ ổn định.

7. Gộp lại: ngân sách sai số

Ví dụ: đo 5 kN bằng load cell 10 kN, hiệu chuẩn ở 23 °C, dùng ở 30 °C, đọc sau 5 phút, đo cả chiều tăng và giảm. Gộp chín nguồn theo căn tổng bình phương, độ không đảm bảo mở rộng khoảng 7,3 N, tức 0,15 % của lực đo. Hai bài học rút ra:

• Gá lắp quyết định: riêng lệch tâm và gá lắp chiếm hơn 60 % tổng. Đầu tư vào phụ kiện gá đúng thường hiệu quả hơn mua load cell đắt tiền.
• Lực nhỏ so với toàn thang thì sai số tương đối lớn: nhiều nguồn tính theo toàn thang, nên đo 1 kN bằng load cell 10 kN sẽ có sai số tương đối gấp năm lần so với ví dụ. Chọn load cell để lực thường dùng nằm trong khoảng 20–80 % toàn thang.

8. Danh sách kiểm tra nhanh

9. Xem thêm

• Cảm biến lực (load cell): cấu tạo, nguyên lý, cách chế tạo và tự đọc HX711 bằng ESP32.
• Cảm biến biến dạng (strain gauge): cấu tạo, nguyên lý, các loại, chế tạo và đo bằng ADS1115, ESP32.
• Bài tiếp theo trong loạt: thực hành hiệu chuẩn load cell với HX711, ESP32 và quả cân, tính đa thức hiệu chuẩn và độ không đảm bảo.