Hiệu chuẩn load cell tại hiện trường: tải thật, mô phỏng mV/V, thế chỗ, ISO 376 và ASTM E74

Hiệu chuẩn hệ load cell tại hiện trường: chuỗi đo và nguồn sai số, tải thật so với mô phỏng mV/V, thế chỗ cho cân bồn, lưu ý lắp đặt, so sánh ISO 376 và ASTM E74.

Trong nhà máy, load cell nằm ở khắp nơi: dưới chân bồn trộn, trong máy ép, trên móc cẩu, trong dây chuyền đóng bao. Phần lớn không thể tháo ra mang về phòng thí nghiệm, nên phải hiệu chuẩn ngay tại chỗ. Câu hỏi thường gặp là: chỉ cần đưa bộ mô phỏng mV/V vào bộ chỉ thị là đủ, hay phải đặt tải thật? Bài này trình bày chuỗi đo load cell tại hiện trường, hai cách hiệu chuẩn và giới hạn của từng cách, phương pháp thế chỗ cho cân bồn lớn, các lưu ý khi lắp đặt, và so sánh hai tiêu chuẩn hiệu chuẩn thiết bị đo lực phổ biến là ISO 376 và ASTM E74.

1. Chuỗi đo load cell tại hiện trường

Một hệ cân hay hệ đo lực tại hiện trường gồm nhiều khâu, và sai số có thể nằm ở bất kỳ đâu:

• Load cell và gá lắp: lực ngang, lệch tâm, mô men xoắn do giãn nở nhiệt của bồn, ống nối cứng "đỡ" một phần tải, bụi kẹt giữa bồn và khung.
• Hộp nối: khi nhiều load cell mắc song song, độ nhạy từng cái khác nhau làm số chỉ phụ thuộc vị trí tải; hộp nối có biến trở cân chỉnh góc để bù.
• Cáp: điện trở cáp dài làm giảm điện áp kích thích thực tế ở load cell; nối 6 dây (có dây sense) để bộ chỉ thị bù được.
• Bộ chỉ thị, transmitter: độ phân giải, độ tuyến tính, độ ổn định nguồn kích, bộ lọc, hệ số cài đặt.
• Tín hiệu ra PLC: sai số chuyển đổi 4–20 mA, thang đo trong PLC lệch với bộ chỉ thị.

2. Hai cách hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn cả hệ bằng tải thật là cách duy nhất cho kết quả về chính hệ đang dùng. Tùy hệ, tải thật có thể là:

• Quả cân chuẩn cho cân bồn, cân sàn, cân treo, đặt lần lượt tới toàn thang hoặc kết hợp thế chỗ.
• Lực kế chuẩn mắc nối tiếp với kích thủy lực cho máy ép, bàn thử, giá thử kết cấu: kích đẩy qua lực kế chuẩn vào load cell của hệ, giống máy so sánh lực mang ra hiện trường.
• Thế chỗ bằng vật liệu khi không đủ quả cân, xem mục 4.

Hiệu chuẩn điện dùng bộ mô phỏng load cell, một nguồn tín hiệu mV/V chính xác đã được hiệu chuẩn, thay cho load cell để kiểm bộ chỉ thị. Hệ số đổi từ mV/V sang lực lấy theo độ nhạy danh định trên phiếu của load cell. Cách này hữu ích để kiểm nhanh bộ chỉ thị, thay bộ chỉ thị hỏng, hoặc cài đặt ban đầu khi chưa có tải. Nhưng độ nhạy danh định của load cell thường có dung sai ±0,1–0,25 %, và hiệu chuẩn điện hoàn toàn không thấy được lỗi gá lắp hay load cell bị hỏng.

3. Hiệu chuẩn bộ chỉ thị bằng bộ mô phỏng mV/V

1. Tắt nguồn, tháo cáp load cell (hoặc cáp từ hộp nối) khỏi bộ chỉ thị, nối bộ mô phỏng vào đúng các chân kích thích, tín hiệu và sense.
2. Bật nguồn, để ổn định theo khuyến nghị của nhà sản xuất bộ chỉ thị.
3. Đưa lần lượt các mức mV/V từ 0 tới toàn thang và ngược lại, ghi số hiển thị.
4. So với số mong đợi tính từ hệ số cài đặt. Trong ví dụ, sai số tăng tỉ lệ với tín hiệu: hệ số khuếch đại của bộ chỉ thị lệch khoảng +0,05 %, có thể chỉnh lại.
5. Nối lại load cell, kiểm tra bằng ít nhất một tải thật đã biết trước khi đưa hệ vào dùng.

4. Cân bồn lớn: phương pháp thế chỗ

Bồn 6 tấn mà chỉ có 1 tấn quả cân thì dùng phương pháp thế chỗ:

1. Treo hoặc đặt 1000 kg quả cân lên bồn, ghi số chỉ.
2. Bỏ quả cân, bơm nước (hoặc vật liệu khác) vào bồn tới khi số chỉ bằng đúng số vừa ghi.
3. Đặt lại quả cân lên, tải thật bây giờ là 2000 kg; ghi số chỉ.
4. Lặp lại tới toàn thang.

Mỗi bước thế chỗ thêm hai lần đọc độc lập, và sai số của bộ quả cân cộng thẳng qua mọi bước, nên độ không đảm bảo tăng dần theo tải. Trong ví dụ, U ở 1000 kg khoảng 0,6 kg nhưng ở 6000 kg đã khoảng 2 kg. Muốn giảm, dùng nhiều quả cân hơn ở mỗi bước, hoặc dùng bộ chỉ thị có chế độ hiển thị độ chia nhỏ hơn khi hiệu chuẩn.

Trước khi đo tuyến tính, nên làm thử lệch tâm: đặt cùng một quả cân lần lượt phía trên từng load cell; chênh lệch giữa các vị trí cho biết cần cân chỉnh góc ở hộp nối hay không.

5. Lưu ý lắp đặt và sử dụng

• Lực chỉ đi qua load cell: ống nối, cáp điện, thang leo gắn cứng vào bồn sẽ đỡ một phần tải. Dùng ống mềm, khớp nối mềm, kiểm tra bằng cách so số chỉ khi tháo và khi lắp ống.
• Phụ kiện gá đúng loại: chân đế tự lựa, thanh giằng chống lật cho phép bồn giãn nở mà không gây lực ngang.
• Nhiệt độ: load cell được bù nhiệt trong một khoảng nhất định; bồn nóng hoặc nắng chiếu trực tiếp làm điểm 0 trôi. Hiệu chuẩn ở nhiệt độ gần với lúc vận hành.
• Chống ẩm và sét: nước vào đầu cáp làm giảm điện trở cách điện, số chỉ trôi; tiếp địa và chống sét cho hệ ngoài trời.
• Hàn điện gần load cell: dòng hàn đi qua load cell có thể làm hỏng strain gauge; nối dây mát gần điểm hàn, không để dòng đi qua load cell.
• Cân dùng trong mua bán: cân bồn, cân ô tô dùng để thanh toán là phương tiện đo phải kiểm định theo quy định đo lường, không chỉ hiệu chuẩn nội bộ.

6. ISO 376 và ASTM E74

Load cell chuẩn dùng để hiệu chuẩn tại hiện trường thường có giấy chứng nhận theo một trong hai tiêu chuẩn:

• ISO 376 (châu Âu và phần lớn thế giới, đi cùng ISO 7500-1): phân cấp 00, 0,5, 1, 2 theo các chỉ tiêu tái lập, lặp lại, nội suy, trễ tại từng cấp lực.
• ASTM E74 (Mỹ, đi cùng ASTM E4 cho máy thử): đo ít nhất 30 lần đặt lực ở ít nhất 10 cấp lực và nhiều vị trí, khớp một đa thức, tính độ lệch chuẩn phần dư s. Hệ số giới hạn dưới LLF = 2,4·s. Thiết bị được dùng làm chuẩn cấp AA từ lực 2000·LLF trở lên, cấp A từ 400·LLF trở lên.

Ví dụ: một lực kế 100 kN có s = 6 N thì LLF = 14,4 N; dùng làm chuẩn cấp AA từ 28,8 kN, cấp A từ 5,76 kN tới 100 kN. Hai cách phân cấp không đổi trực tiếp cho nhau, nên khi gửi hiệu chuẩn phải nói rõ cần giấy theo tiêu chuẩn nào, tùy máy thử hay khách hàng làm việc theo hệ ISO hay ASTM.

7. Những lỗi hay gặp

8. Xem thêm

• Cảm biến lực (load cell): cấu tạo, nguyên lý, cách chế tạo và tự đọc HX711 bằng ESP32.
• Hướng dẫn làm cân điện tử với ESP32, HX711 và load cell trên Arduino IDE.
• Các bài khác trong loạt: lực kế chuẩn theo ISO 376, các nguồn sai số khi đo lực, thực hành hiệu chuẩn load cell với HX711 và ESP32.