Nguyên nhân và Giải pháp cho Sự Trôi dạt Nhiệt độ trong Cảm biến Cân

Trong dây chuyền lắp ráp sản xuất công nghiệp, khi nhiệt độ môi trường tăng từ 20ºC vào buổi sáng sớm lên 35ºC vào buổi chiều, dữ liệu cân của cùng một lô sản phẩm có thể cho thấy những sai lệch liên tục. Trong các kho lạnh, cân điện tử trong môi trường nhiệt độ thấp không bao giờ có thể trở về 0 khi dỡ hàng. Trong các hệ thống cân động trên đường cao tốc, nhiệt độ cao vào mùa hè có thể khiến dữ liệu cân của xe tải hàng hóa dao động không thể đoán trước. Đằng sau những hiện tượng này là một vấn đề chung — độ trôi nhiệt độ của các cảm biến tải. Là "tận cùng dây thần kinh" của phép đo chính xác, độ ổn định nhiệt độ của các cảm biến tải quyết định trực tiếp độ tin cậy của hệ thống đo, và độ trôi nhiệt độ đã trở thành một trong những nguồn lỗi ẩn và có ảnh hưởng nhất trong đo lường công nghiệp.

Độ trôi nhiệt độ của các cảm biến tải về bản chất là sự nhiễu do sự thay đổi nhiệt độ môi trường gây ra cho hệ thống đo thông qua hai con đường: tính chất vật liệu và ứng suất cấu trúc. Đối với các cảm biến tải dựa trên nguyên lý biến dạng, cơ chế hoạt động cốt lõi của chúng là chuyển đổi biến dạng cơ học của vật liệu đàn hồi thành các tín hiệu điện có thể đo được thông qua các đồng hồ đo biến dạng, và cả hai thành phần chính này đều cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ.

Là một thành phần cảm biến lực, kích thước hình học và tính chất cơ học của vật liệu đàn hồi thay đổi đáng kể theo nhiệt độ. Hệ số giãn nở nhiệt của thép thông thường là khoảng 11,5×10⁻⁶/ºC. Khi nhiệt độ thay đổi 10ºC, sự thay đổi chiều dài của vật liệu đàn hồi có thể dẫn đến sai số cấu trúc từ 0,01%~0,05%. Hiệu ứng giãn nở và co lại nhiệt này thay đổi trực tiếp các đặc tính biến dạng của vật liệu đàn hồi: khi nhiệt độ tăng, biến dạng dưới cùng một tải trọng giảm, dẫn đến tín hiệu đầu ra thấp; khi nhiệt độ giảm, biến dạng tăng, dẫn đến tín hiệu đầu ra cao, tạo thành một "lỗi nhiệt độ cấu trúc" điển hình. Trong môi trường nhiệt độ cao như các xưởng luyện kim, lỗi này có thể được khuếch đại hơn nữa vì nhiệt độ cao liên tục sẽ làm giảm mô đun đàn hồi của vật liệu kim loại, khiến vật liệu đàn hồi tạo ra biến dạng lớn hơn dưới cùng một tải trọng.

Là một thành phần chuyển đổi tín hiệu, đồng hồ đo biến dạng có độ nhạy nhiệt độ phức tạp hơn. Giá trị điện trở của đồng hồ đo biến dạng lá kim loại (chẳng hạn như hợp kim Constantan, Nichrome) có hệ số nhiệt độ dương đáng kể. Ngay cả trong trạng thái không tải, sự thay đổi nhiệt độ 10ºC có thể gây ra độ trôi zero từ 0,02%~0,1% FS. Quan trọng hơn, hệ số nhạy của đồng hồ đo biến dạng (tỷ lệ thay đổi điện trở tương ứng với biến dạng đơn vị) cũng dao động theo nhiệt độ, dẫn đến những thay đổi về biên độ tín hiệu đầu ra dưới cùng một biến dạng. Mặc dù đồng hồ đo biến dạng bán dẫn có độ nhạy cao hơn, nhưng hệ số nhiệt độ điện trở của chúng gấp 10~100 lần so với đồng hồ đo biến dạng kim loại, và vấn đề về độ ổn định nhiệt độ nổi bật hơn. Khi gradient nhiệt độ phân bố không đều bên trong cảm biến, sự thay đổi điện trở của mỗi nhánh của cầu không đồng bộ, điều này sẽ làm trầm trọng thêm mức độ trôi zero.

Sự thay đổi nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường thông qua các con đường gián tiếp. Chất kết dính bên trong cảm biến sẽ bị lão hóa dưới tác động của chu kỳ nhiệt độ, dẫn đến giảm độ bền liên kết giữa đồng hồ đo biến dạng và vật liệu đàn hồi, gây ra độ trễ đo bổ sung. Cáp sẽ trở nên cứng và giòn trong môi trường nhiệt độ thấp và có thể làm giảm hiệu suất cách điện ở nhiệt độ cao, cả hai đều làm tăng nhiễu trong truyền tín hiệu. Sự dao động điện áp của hệ thống cung cấp điện do nhiệt độ, mặc dù thường trong khoảng ±1%, cũng sẽ gây ra sự thay đổi 0,005%~0,01% trong đầu ra zero. Sự chồng chập của các yếu tố này làm cho độ trôi nhiệt độ trở thành một vấn đề phức tạp về sự kết hợp đa chiều.

 

Giải pháp hệ thống: Từ Tối ưu hóa Phần cứng đến Bù thông minh
Để giải quyết vấn đề độ trôi nhiệt độ, cần thiết lập một tuyến phòng thủ kỹ thuật đa cấp, kết hợp tối ưu hóa thiết kế phần cứng, bù mạch và hiệu chỉnh thuật toán thông minh để tạo thành một hệ thống kiểm soát lỗi toàn chuỗi. Công nghệ cân hiện đại đã phát triển nhiều giải pháp trưởng thành và đáng tin cậy, có thể được lựa chọn linh hoạt theo yêu cầu về độ chính xác và điều kiện môi trường của các tình huống ứng dụng khác nhau.
Tích ứng nhiệt độ ở cấp độ phần cứng là cơ sở để kiểm soát lỗi. Việc lựa chọn vật liệu có hệ số nhiệt độ thấp là chiến lược chính. Vật liệu đàn hồi có thể sử dụng các hợp kim giãn nở thấp như Invar (với hệ số giãn nở nhiệt chỉ dưới 1,5×10⁻⁶/°C). Mặc dù chi phí tương đối cao, nhưng nó có thể làm giảm đáng kể lỗi nhiệt độ cấu trúc. Đối với đồng hồ đo biến dạng, có thể chọn các sản phẩm tự bù nhiệt độ. Bằng cách điều chỉnh thành phần hợp kim để phù hợp với hệ số nhiệt độ điện trở với hệ số giãn nở tuyến tính của vật liệu đàn hồi, hầu hết các hiệu ứng nhiệt độ có thể được bù. Trong môi trường khắc nghiệt, cần sử dụng các mẫu cảm biến đặc biệt: đối với môi trường nhiệt độ cao (>60°C), nên chọn các cảm biến có chất kết dính và dây chịu nhiệt độ cao, với nhiệt độ hoạt động lên đến 150°C hoặc thậm chí 300°C; đối với môi trường nhiệt độ thấp (<-10°C), cần sử dụng cáp chịu lạnh và các thành phần điện phân nhiệt độ thấp để tránh giòn vật liệu và suy giảm hiệu suất. Về thiết kế cấu trúc cơ học, việc áp dụng bố cục đối xứng và các biện pháp cách nhiệt có thể làm giảm ứng suất không cân bằng do gradient nhiệt độ gây ra. Ví dụ, việc thêm một tấm cách nhiệt giữa cảm biến và đế lắp có thể làm giảm hiệu quả dẫn nhiệt của môi trường.
Công nghệ bù mạch cung cấp một lớp bảo đảm thứ hai để kiểm soát lỗi. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bù phần cứng, bù hiệu ứng nhiệt độ của đồng hồ đo biến dạng bằng cách nối các điện trở bù nhiệt độ nối tiếp hoặc song song trong cầu đo. Bù nhiệt độ zero thường sử dụng một điện trở bù khác với vật liệu đồng hồ đo biến dạng, sử dụng đặc tính hệ số nhiệt độ ngược của nó để trung hòa độ trôi zero; bù nhiệt độ độ nhạy điều chỉnh điện áp kích thích cầu bằng cách nối một thermistor nối tiếp trong mạch cung cấp điện, giảm độ nhạy nhiệt độ của tín hiệu đầu ra. Đối với các ứng dụng có độ chính xác cao, có thể sử dụng một chip bù nhiệt độ chuyên dụng để theo dõi nhiệt độ cảm biến trong thời gian thực và điều chỉnh động các thông số bù. Các cảm biến cao cấp từ các nhà sản xuất như Futek có các mạng điện trở bù đa nhóm tích hợp, có thể kiểm soát lỗi nhiệt độ trong phạm vi 0,005% FS/10°C trong khoảng từ -40°C đến 85°C.
Thuật toán bù phần mềm tạo thành chiều thứ ba của việc kiểm soát lỗi, đặc biệt phù hợp với các tình huống có sự dao động nhiệt độ nghiêm trọng. Ý tưởng cơ bản là thiết lập một mô hình lỗi nhiệt độ, thu thập nhiệt độ môi trường trong thời gian thực thông qua một cảm biến nhiệt độ, và sau đó hiệu chỉnh giá trị đo được theo một đường cong bù được đặt trước. Trong các hệ thống vi điều khiển như STM32, một bảng dữ liệu bù nhiệt độ có thể được thiết lập thông qua các thí nghiệm, và một thuật toán nội suy tuyến tính có thể được sử dụng để đạt được hiệu chỉnh thời gian thực. Trong một trường hợp nhất định, các kỹ sư đã thiết lập các điểm bù nhiệt độ ở 10°C, 20°C, 30°C, 40°C và 50°C, thiết lập một ma trận hệ số hiệu chỉnh trọng lượng và giảm lỗi trôi nhiệt độ hơn 60% trong điều kiện cho phép nhiệt độ dao động.
Các biện pháp kiểm soát môi trường có hệ thống cũng không thể thiếu. Bằng phương tiện điều hòa không khí, cách nhiệt và tản nhiệt, sự dao động nhiệt độ môi trường làm việc của cảm biến có thể được kiểm soát trong khoảng ±5°C, điều này có thể làm giảm đáng kể áp lực lên hệ thống bù. Trong những dịp có rung động lớn, cần thêm các thiết bị giảm xóc để giảm nhiễu nhiệt độ và ứng suất bổ sung do va đập cơ học gây ra. Hiệu chuẩn thường xuyên có thể đảm bảo sự ổn định lâu dài của hiệu ứng bù. Nên thực hiện khi nhiệt độ môi trường thay đổi lớn trong các mùa khác nhau, hoặc sử dụng một hệ thống cân thông minh có chức năng hiệu chuẩn tự động, có thể duy trì độ chính xác đo lường trong tình huống không cần giám sát.

 

Các trường hợp ứng dụng dựa trên kịch bản: Từ Phòng thí nghiệm đến Công trường công nghiệp
Các giải pháp cho độ trôi nhiệt độ cần được tích hợp sâu với các tình huống ứng dụng cụ thể. Các yêu cầu đo lường và đặc điểm môi trường của các ngành công nghiệp khác nhau rất khác nhau, điều này quyết định rằng việc lựa chọn các giải pháp kỹ thuật phải được điều chỉnh theo điều kiện địa phương. Từ các phòng thí nghiệm chính xác đến môi trường công nghiệp khắc nghiệt, các trường hợp ứng dụng thành công cung cấp cho chúng ta kinh nghiệm thực tế quý giá.
Trong lĩnh vực lưu trữ chuỗi lạnh thực phẩm và dược phẩm, vấn đề độ trôi nhiệt độ đặc biệt nổi bật. Một kho lạnh lớn nhận thấy rằng khi sử dụng các cảm biến tải thông thường, có sự sai lệch từ 2%~3% trong việc cân cùng một lô hàng hóa mỗi ngày giữa buổi sáng sớm (nhiệt độ kho khoảng -18°C) và buổi chiều (nhiệt độ kho khoảng -15°C), điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của việc thanh toán thương mại. Nhóm kỹ thuật đã giải quyết vấn đề thông qua ba bước: đầu tiên, thay thế bằng một cảm biến chịu nhiệt độ thấp, cáp của nó sử dụng vật liệu polytetrafluoroethylene chịu lạnh để đảm bảo tính linh hoạt ngay cả ở -30°C; thứ hai, lắp đặt một đầu dò nhiệt độ PT100 gần cảm biến, kết nối tín hiệu nhiệt độ với chỉ báo cân và hiệu chuẩn tại các điểm nhiệt độ khác nhau để thiết lập một mô hình bù phân đoạn. Sau khi chuyển đổi, ngay cả khi nhiệt độ kho dao động từ -20°C đến -10°C, lỗi đo lường có thể được kiểm soát trong vòng 0,1%, giải quyết hoàn toàn vấn đề tranh chấp đo lường chuỗi lạnh. Trường hợp này cho thấy sự kết hợp giữa thích ứng vật liệu và bù phần mềm là một giải pháp hiệu quả trong môi trường nhiệt độ thấp.
Kịch bản cân nhiệt độ cao trong ngành luyện kim phải đối mặt với những thách thức hoàn toàn khác nhau. Trong dây chuyền sản xuất đúc liên tục của một nhà máy thép, cần phải cân thùng thép trực tuyến. Nhiệt độ môi trường làm việc của cảm biến cao tới 80°C~120°C, và các cảm biến thông thường cho thấy sự trôi rõ rệt sau một tuần sử dụng. Giải pháp áp dụng chiến lược bảo vệ ba lớp: ở cấp độ cơ học, một áo khoác làm mát bằng nước và một vách ngăn cách nhiệt được thêm vào cảm biến để kiểm soát nhiệt độ của chính cảm biến dưới 60°C; ở cấp độ phần cứng, đồng hồ đo biến dạng nhiệt độ cao (nhiệt độ làm việc 150°C) và chất kết dính đóng rắn nhiệt độ cao được chọn; ở cấp độ phần mềm, một thuật toán bù động dựa trên lọc Kalman được phát triển, kết hợp với một mô hình dự đoán nhiệt độ lò để hiệu chỉnh tác động nhiệt độ trước. Hệ thống được chuyển đổi duy trì độ chính xác đo lường 0,2% trong sản xuất liên tục và tuổi thọ của cảm biến được kéo dài từ 1 tuần lên hơn 6 tháng, giảm đáng kể chi phí bảo trì. Điều này chứng minh tầm quan trọng của việc bảo vệ toàn diện trong môi trường nhiệt độ cao khắc nghiệt.
Hệ thống cân động đường cao tốc tốc độ cao phải đối mặt với thử nghiệm về sự dao động nhiệt độ 剧烈. Ở một tỉnh nhất định, vào buổi trưa mùa hè, ánh nắng trực tiếp khiến nhiệt độ của cảm biến tải tăng nhanh, khác với nhiệt độ môi trường lên đến 30°C, dẫn đến sai lệch dữ liệu cân hơn 50kg tại các thời điểm khác nhau của cùng một phương tiện. Giải pháp thêm một kênh tham chiếu đồng bộ vào chỉ báo cân, hiệu chỉnh độ dốc tín hiệu cân trong thời gian thực bằng cách theo dõi độ trôi nhiệt độ của điện trở cố định; đồng thời, cấu trúc lắp đặt cảm biến được tối ưu hóa, sử dụng vật liệu cách nhiệt để chặn ánh nắng trực tiếp và thêm thiết kế thông gió và tản nhiệt. Sau khi cải thiện, độ trôi nhiệt độ của hệ thống giảm hơn 70% và nó đã vượt qua chứng nhận độ chính xác động của Viện Đo lường Quốc gia, giảm hiệu quả các tranh chấp về phí cầu đường. Trường hợp này chứng minh rằng công nghệ bù phần cứng thời gian thực có những ưu điểm độc đáo trong các tình huống có sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng.
Lĩnh vực cân chính xác trong phòng thí nghiệm có những yêu cầu khắt khe hơn về độ ổn định nhiệt độ. Cân điện tử trong phòng thí nghiệm nghiên cứu dược phẩm không thể vượt qua việc xác minh đo lường khi nhiệt độ môi trường thay đổi hơn 2°C. Các nhân viên kỹ thuật đã áp dụng một giải pháp kết hợp kiểm soát môi trường và tối ưu hóa thuật toán: một thiết bị nhiệt độ không đổi vi mô đã được lắp đặt bên trong cân để kiểm soát sự dao động nhiệt độ làm việc của cảm biến trong khoảng ±0,5°C; một mô hình trọng lượng nhiệt độ dựa trên mạng nơ-ron đã được phát triển để dự đoán và bù lỗi thông qua lấy mẫu đa điểm. Cuối cùng, hệ thống đạt được độ chính xác đo lường 0,001%, đáp ứng các yêu cầu độ chính xác cao của nghiên cứu và phát triển dược phẩm. Điều này phản ánh lộ trình kỹ thuật kiểm soát tinh vi trong các thiết bị đo lường cao cấp.