Bộ mã hoá siêu bền làm việc trong môi trường khắc nghiệt

Bộ mã hoá siêu bền làm việc trong môi trường khắc nghiệt Các bộ mã hoá quang hạng nặng yêu cầu phải được thiết kế khéo léo và một cấu trúc bền vững để có thể làm việc được trong những môi trường khắc nghiệt. Bộ mã hoá công nghiệp truyền thống, dù gia tăng hay tuyệt đối, có thể đáp ứng yêu cầu trong nhiều ứng dụng điều khiển chuyển động của ngành công nghiệp nói chung. Tuy nhiên, những linh kiện này dường như hay bị lỗi khi vận hành trong môi trường bị chất ô nhiễm xâm nhập, môi trường có va chạm, va đập mạnh, môi trường rung hay khi bị nhấn chìm lâu ngày trong chất lỏng, khi chịu tác động tẩy rửa mạnh hoặc trong môi trường nhiễu EMI. Rất nhiều nhà máy sản xuất công nghiệp thích sử dụng bộ mã hóa có sẵn tiêu chuẩn mà không xem xét đến va chạm toàn phần trong môi trường máy vận hành. Khi bộ mã hóa này bị lỗi, thiệt hại trong sản xuất do bộ mã hóa ngừng hoạt động gây ra nhanh chóng tăng lên gấp nhiều lần so với chính giá thành của bộ mã hóa. Bài viết này tập trung vào bộ mã hóa hạng nặng bao gồm: nguyên lý kỹ thuật bên cạnh việc vận hành của bộ mã hóa hạng nặng và việc sử dụng công nghệ như thế nào để bảo đảm khả năng tồn tại lâu dài của chúng dưới những điều kiện thách thức khó khăn. Ngoài ra bài viết còn nêu ra những ví dụ thực tế để chứng minh tác dụng và lợi ích của bộ mã hóa hạng nặng. Bộ mã hóa thông thường và nguyên tắc làm việc của chúng: Mỗi bộ mã hóa quang thường có sáu bộ phận chính như sau: (hình 1) Trục và vòng bi gắn với nhau 2. Đĩa tạo xung 3. Nguồn sang 4. Giản đồ lưới 5. Hệ mạch giải mã/ đi ốt quang 6. Các tiếp xúc Tất cả các bộ mã hóa quang đều vận hành theo một cách giống nhau cơ bản (hình 2). Nguồn sáng chiếu trực tiếp tia sáng qua hệ thấu kính lồi và hội tụ ánh sáng thành một chùm tia song song. Chùm tia này đi qua giản đồ lưới phân chia chúng để tạo ra một chùm tia thứ cấp lệch pha 90o. Chùm tia gốc A và chùm thứ cấp B đi xuyên qua đĩa tạo xung bằng kính chịu nhiệt, poly carbonate hay bằng kim loại rồi chiếu vào dãy các đi ốt quang. Trên mặt đĩa có những đoạn sáng tối khi ánh sáng chiếu vào, đĩa quay sẽ tạo ra những mẫu sáng tối tương ứng. Mẫu sáng/tối được dãy đi ốt quang và hệ mạch giải mã đọc và xử lý. Chùm tia A và B được nhận bởi các điốt riêng biệt và chuyển đổi thành hai tín hiệu sóng vuông, lệch pha 900, thường được gọi là lối ra vuông pha. Lối ra vuông pha này sau đó được đưa vào linh kiện điều khiển để xử lý tín hiệu nhằm xác định số xung, hướng, tốc độ và các thông tin khác. Để vận hành trơn tru, bộ mã hóa quang cần một đường sạch từ các đi ốt phát quang tới dãy nhận tín hiệu thông qua đĩa và sẽ định xứ giữa chúng. Trục của bộ mã hóa và do đó là bộ phận đĩa kết nối với trục - sẽ quay, hình thành một giao diện quan trọng H.1. Giản đồ của một bộ mã hóa quang H.2. Cơ cấu vận hành của một bộ mã hóa vuông pha giữa các mạch điện tử, trục và vòng bi. Không thể chế tạo được bộ mã hóa quang kín 100% bởi vì việc ghép nối giữa trục và vòng bi không bao giờ kín hoàn toàn. Cần phải có một chỗ trống để vòng bi trượt trên trục trong suốt quá trình lắp ráp bộ mã hóa. Khoảng trống này tạo những chỗ hở mà các chất thải có thể chui vào. Vòng bi cho phép trục quay mà vẫn giữ nguyên lớp vỏ ngoài. Bởi vì chúng không thiết kế để hỗ trợ tải nặng dưới điều kiện thông thường, vòng bi cơ có thể bị quá tải trong môi trường khắc nghiệt. Các nguyên nhân chung gây ra vòng bi lỗi là đo va đập, rung, quá tải trục hoặc xuyên tâm. Thậm chí các vòng bi với lót cao su hoặc nhựa kín và bộ đánh giá IP tốc độ cao không thể kiểm soát toàn bộ tốc độ quay, các vị trí gắn kết; tất cả các mối hàn phải chịu được sự hao mòn, già hóa và ảnh hưởng của tia UV. Tại nhà máy, bộ mã hóa công nghiệp thông thường có thể chuyển tín hiệu lối ra lỗi do việc phá hủy các mạch IC dùng để truyền tín hiệu lối ra vuông pha tới bộ phận điều khiển Những sự cố như vậy có thể do nhiễu EMI hay nhiễu bức xạ từ các thiết bị khác xung quanh bộ mã hóa. Trong những nhà máy lớn, khoảng cách dài giữa bộ mã hóa và mạch điện tử điều khiển có thể làm suy yếu tín hiệu đầu ra, gây nên nhiều lỗi liên tiếp. Thử thách trong môi trường khắc nghiệt Các bộ mã hóa thông thường được sử dụng trong một loạt các ứng dụng trong môi trường khó khăn và khắc nghiệt bao gồm quá trình xử lý thực phẩm/nước giải khát, thiết bị nặng, các phương tiện di chuyển biệt dụng, thiết bị tạo năng lượng, quá trình xử lý hóa chất/dầu, thiết bị y tế, xử lý nước thải, phương tiện hàng hải tàu thuyền, thiết bị in ấn và các thiết bị trong nhà khác và sử dụng ở ngoài trời… Trong môi trường như vậy, có những nguyên nhân làm bộ mã hóa bị lỗi: Các hạt chất rắn hay là những chất thải ô nhiễm; vòng bi cơ bị quá tải; tín hiệu đầu ra bị lỗi. Khi gặp phải một trong ba lỗi này, bộ mã hóa sẽ bị vênh khi vận hành hoặc hệ thống sẽ vận hành thất thường. Sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh có thể làm gia tăng tốc độ bị lỗi của bộ mã hóa. Trong suốt quá trình làm mát bộ mã hóa, có sự chênh lệch áp suất giữa bên ngoài và bên trong vỏ. Khi nhiệt độ vỏ máy giảm xuống đột ngột, hơi ẩm trong máy sẽ ngưng tụ tạo thành giọt sương tích tụ trên PCB, dây dẫn, đĩa mã hóa làm cho bộ mã hóa bị lỗi. Trong rất nhiều ứng dụng, chất lỏng xâm nhập xảy ra một cách tự nhiên khi bộ mã hóa ở trong môi trường tiếp xúc trực tiếp bên ngoài với nước, chất làm mát, chất bôi trơn và tác nhân làm sạch. Thường những ứng dụng này ở ngoài trời hoặc trong nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát nơi chịu áp suất vòi nước rửa rất lớn. Ví dụ, khi sữa chua đặt vào trong các thùng chứa trong suốt quá trình sản xuất, bộ mã hóa thường được sử dụng giám sát sự quay của bàn quay để điều khiển quá trình bơm đầy sữa vào hộp. Đến cuối buổi làm việc, máy đóng gói sẽ được rửa sạch dưới tác dụng của vòi phun áp nước nóng áp suất cao. Bộ mã hóa làm việc trong môi trường khắc nghiệt thường hay tạo ra các hạt rắn ví dụ như cát, muối, vỏ bào nhỏ, hay các hạt bụi. Các hạt này sẽ rơi vào trong bộ mã hóa, làm tắc quá trình xử lý quang, dẫn đến lỗi thiết bị. Trong qui trình sản xuất giấy, bộ mã hóa kiểm tra tốc độ hoặc vị trí của qui trình quay để điều khiển dòng bột giấy vào trong máy và giấy vào bộ phận cuốn để tạo cuộn. Qui trình sản xuất giấy thường rất bẩn, và môi trường vận hành thường có rất nhiều giọt chất lỏng nhỏ chứa bột giấy. Dưới dạng lỏng, bột giấy thường tích tụ gần như mọi thứ trong nhà máy, gây đóng cáu trên tất cả các bộ phận, bao gồm cả bộ mã hóa, do đó bộ mã hóa thông thường không thể chịu được tác động của chất bẩn như vậy trong một thời gian dài. Bộ mã hóa nhanh chóng bị lỗi khi các hạt đi vào bên trong và làm tắc mạch quang. Bộ mã hóa hạng nặng Chạy ở tốc độ 30.000 vòng/phút mà hầu như không bị hao mòn, bộ mã hóa hạng nặng giám sát tốc độ và vị trí trong hàng loạt ứng dụng như nhà máy phong điện, xử lý thép, thiết bị công nghiệp nặng, phương tiện vận tải hạng nặng, xử lý dầu, ga, thiết bị in ấn, dập khuôn kim loại, đúc khuôn kim loại và điều khiển mô tô. Thiết kế bền vững rất khác với bộ mã hóa thông thường cho phép chúng chịu đựng được chất bẩn dạng hạt, rắn, lỗi vòng bi cơ học, và lỗi tín hiệu đầu ra. H.3. Hình ảnh của một bộ mã hóa hạng nặng với lớp vỏ ngoài đúc kim loại rất bền vững H.4. Ổ trục bị phá hủy khi dòng điện của trục phá hủy vòng bi hình quả bóng Để được như vậy, vỏ ngoài của bộ mã hóa hạng nặng được đúc kim loại và thiết kế chắc chắn giúp chúng vận hành tin cậy trong các ứng dụng khí mở nơi mà bộ mã hóa thông thường bị lỗi (hình 3). Bộ mã hóa đầu tiên dùng trong quân đội có ren xoáy ngược hình chôn ốc như trong hình 3 để bảo vệ sự xâm nhập của chất lỏng và bụi vào bên trong. Những mối hàn này cho phép thiết bị sử dụng trong môi trường dao động, chất hoá học nhiệt độ, độ ẩm cao. Bộ mã hóa còn được trang bị những vòng bi hình quả bóng lớn hơn thích hợp với lớp vỏ ngoài được đúc kim loại bao quanh mạch điện tử cảm biến. Mặc dù những bộ mã hóa này thông thường còn nhiều chỗ trông nhưng trục của chúng được đặt tải trọng trước để chịu được lực lớn hơn theo cả hướng theo bán kính tâm và theo trục. Cấu trúc bền chắc này cho phép bộ mã hóa tồn tại được trong những môi trường sóc lên tới 500g, vận hành tin cậy trong dải nhiệt độ từ - 40°C đến 100°C. Vòng bi bằng gốm đã được cấp bằng sáng chế với trở kháng đẳng hướng đặc biệt giữa lớp vỏ ngoài và trục của bộ mã hóa bảo vệ sự tích tụ của dòng điện trong trụ khỏi các động cơ AC lớn và các máy phát. Dòng điện này có thể truyền qua lớp vỏ ngoài, tiếp đất gây ra tia lửa điện rất nguy hiểm bởi vì sự ăn mòn bởi tia lửa điện này có thể dẫn đến sự phá hủy tính bền vững của vòng bi và bề mặt vòng bi. Trong tất cả bộ mã hóa quay, mạch điện tử cảm biến và đĩa mã hóa được đặt bên trong lớp vỏ bọc giữa các vòng bi. Trong bộ mã hóa hạng nặng, đĩa mã hóa được làm bằng kim loại tốt hơn thủy tinh hay nhựa. Đĩa thủy tinh dễ bị ảnh hưởng xước, gãy dưới cú sốc mạnh. Đĩa nhựa chống sốc tương đối tốt nhưng có vẻ như bị cong và biến dạng khi ở nhiệt độ cao hơn, chúng có thể bị gãy trong môi trường hóa chất mạnh. Đĩa kim loại chịu sốc, nóng và hóa chất tốt hơn và không bị vỡ gãy khi làm việc trong môi trường công nghiệp nặng. Lớp ngoài của bộ mã hóa hạng nặng được đúc kim loại cho nên chúng ta có thể kéo dài chiều dài trụ và mở rộng chúng giữa các vòng bi cho phép gắn thêm bộ mã hóa thứ cấp hoặc chuyển mạch ly tâm cơ. Thiết bị thứ hai này sẽ kích hoạt khi vượt quá giới hạn tốc độ cho phép. Vì thiết bị đầu tiên độc lập về mặt điện tử nên việc gắn thêm bộ mã hóa thứ cấp là rất quan trọng trong những ứng dụng cần sự an toàn tuyệt đối (hình số 5). Ví dụ, nếu các cánh trong máy phát điện gió quay quá nhanh khi trời gió bão, thiết bị thứ cấp này làm chậm máy phát điện lại để bảo vệ turbin khỏi bị phá hủy. Để bảo vệ tín hiệu ra không bị lỗi, những hộp đầu cuối được phủ một lớp bảo vệ đặc biệt giúp chống lại điện từ trường. H.5. Sơ đồ của một bộ mã hóa dùng trong turbin gió: 1. Trục hạng nặng; 2 và 3. vòng bi phủ gốm; 4. đĩa mã hóa kim loại; 5. bảng mạch điện tử; 6. transistor nguồn 300mA; 7 và 8. chuyển mạch tốc độ dùng để dự phòng; 9 và 10: hộp đầu cuối riêng biệt; 11: tấm phân chia; 12. mối hàn đặc biệt Kiểm thử bộ mã hóa Bộ mã hóa hạng nặng cần phải được kiểm tra liên tục để chứng minh khả năng chịu đựng của chúng trong môi trường làm việc khó khăn. Trong quá trình phát triển, mạch điện máy in đã được kiểm tra tại tần số cộng hưởng (hình 6) và tối ưu hóa sử dụng sóng quét hình sin tần số từ 10 - 2.000Hz. Điều này bảo đảm các thành phần không bị rung quá nhiều (gây tổn thương cho mạch lối ra) hoặc bị đứt dây. Ngoài ra chúng còn được thực hiện phép đo EMC phép đo điện từ trường tương thích (hình 7). H.6. Kiểm tra trên tần số cộng hưởng H.7. Kiểm tra EMC Bước tiếp theo là kiểm tra trong môi trường rung, sóc liên tục, bảo vệ bẩn, phun nước kiểm tra. Áp suất dòng nước là 12bar và tốc độ vòi phun 100lpm. Sau đó bộ mã hóa được nhúng trong nước ở độ sâu 1m để kiểm tra mối hàn có đủ tiêu chuẩn IP67. Một vài bộ mã hóa ứng dụng trong hàng hải được phun muối và dòng nước nóng ẩm để chứng minh khả năng thích hợp trong môi trường khí hậu nhiệt đới. Việc thực hiện những kiểm nghiệm như vậy nhằm bảo đảm những lỗi thường xảy ra ở các bộ mã hóa thông thường trong môi trường khắc nghiệt sẽ không xảy ra đối với bộ mã hóa hạng nặng (hình 8). H.8. Bộ mã hóa được phun muối để kiểm tra khả năng chịu đựng trong môi trường biển H 9. Bộ mã hóa hạng nặng sử dụng mối hàn Simmering và cấu trúc SS Riêng ứng dụng trong hàng hải, ngành chế biến thực phẩm cao cấp đặc biệt và trong môi trường hay phải rửa, bộ mã hóa hạng nặng được trang bị lớp vỏ ngoài bằng thép không gỉ, sử dụng mối hàn Simmering đặc biệt (hình 9) và một qui trình bọc kín để bảo vệ mạch điện tử của bộ mã hoá khỏi thế giới bên ngoài. Thứ duy nhất có thể xuyên qua lớp vỏ ngoài là từ trường của nam châm vĩnh cửu trên bộ mã hoá. Những bộ mã hóa này đạt được các tiêu chuẩn cao cấp IP68 và IP69K, có thể chìm trong chất lỏng trong một thời gian dài hoặc rửa dưới một áp suất vòi phun rất cao mà không bị lỗi. Một trong những ứng dụng thực tế khó nhất của bộ mã hóa hạng nặng là sử dụng chúng trên thế hệ mới nhất của thuyền cứu hoả. Trong ứng dụng này, bộ mã hoá quản lý việc định vị các ống phun nước được điều khiển từ xa. Những vòi này có thể phun hàng tấn nước biển trên một phút tới một khoảng cách lớn hơn 100m trực tiếp vào ngọn lửa. Việc định vị này cho phép nước biển vào nhanh hơn so với bộ mã hoá công nghiệp thông thường. Trong trường hợp này, do bộ mã hóa được hàn kín, nước không thể vào bên trong bộ mã hoá, bảo vệ tránh khỏi sự phá huỷ mối liên kết của mạch điện tử bên trong. Một loại các ứng dụng khác yêu cầu bộ mã hoá phải có những đặc tính đặc biệt phù hợp với yêu cầu của môi trường làm việc khó khăn. Bộ mã hoá thông thường thường không đủ sự bền chắc để tồn tại trong môi trường như vậy. Ngược lại bộ mã hóa hạng nặng, với lớp vỏ bảo vệ, thiết kế bền chắc và vòng bi hình quả bóng lớn, vận hành được trong các ứng dụng nơi mà bộ mã hoá thông thường không thể chịu được.