›
›

Giáo trình Kỹ thuật cảm biến

doc 125 trang hapham 2600
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật cảm biến", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docgiao_trinh_ky_thuat_cam_bien.doc

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật cảm biến

  1. BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mô đun: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013
  2. - 1 - TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
  3. - 2 - LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Cảm biến là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 180 giờ gồm có: Bài 1: Bài mở đầu các khái niệm cơ bản về bộ cảm biến Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí và khoảng cách khác Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng Bài 5: Đo vận tốc vòng quay và góc quay Bài 6: Cảm biến quang điện Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tuy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai. Đồng Nai, ngày10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên TS. Lê Văn Hiền 2. KS. Lê Phước Tuy
  4. - 3 - MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU 2 MỤC LỤC 3 MÔ ĐUN KỸ THUẬT CẢM BIẾN 6 BÀI MỞ ĐẦU KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN 7 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến: 7 2. Phạm vi sử dụng của cảm biến 9 3. Phân loại cảm biến: 10 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI MỞ ĐẦU 11 BÀI 1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 11 1.1 Đại cương 11 1.1.1 Thang đo nhiệt độ 12 1.1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo 12 1.2 Nhiệt điện trở Platin và Niken 13 1.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ 13 1.2.2 Nhiệt điện trở Platin 13 1.2.3 Nhiệt điện trở Niken 16 1.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 19 1.4 IC cảm biến nhiệt độ. 23 1.5 Nhiệt điện trở NTC 25 1.6 Nhiệt điện trở PTC 28 1.7 Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70 30 1.8 Thực hành với cảm biến LM35 31 1.9 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC 33 1.10 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC 35 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 1 36 BÀI 2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ , KHOẢNG CÁCH 37 2.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 37 2.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 41 2.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 45 2.2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 48 2.2.1 Xác định vị trí và khoảng cách dùng biến trở 48
  5. - 4 - 2.2.2 Xác định vị trí khoảng cách bằng tự cảm (Inductance Transducers) .51 2.2.3. Xác định vị trí khoảng cách bằng cảm biến điện dung (Capacitance Transducers ) 55 2.2.4 Cảm biến từ 58 2.2.5 Cảm biến phân loại màu 60 2.3 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm 61 2.4 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung 62 2.5 Thực hành với cảm biến từ 63 2.6 Thực hành với cảm phân loại màu 64 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 2 64 BÀI 3 PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG 65 3.1. Đại cương 65 3.2. Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất 68 3.3. Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy 73 3.3.1. Nguyên tắc hoạt động 73 3.3.2. Các ưu, nhược điểm của phương pháp đo lưu lượng dùng nguyên tắc tần số dòng xoáy 75 3.3.3. Một số ứng dụng của cảm biến đo lưu lượng dùng nguyên tắc tần số dòng xoáy 75 3.4. Thực hành với cảm biến đo lưu lượng 75 3.4.1. Ghi nhận các thông số của cảm biến 76 3.4.2. Thiết lập các thông số cho cảm biến 77 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 3 78 BÀI 4 ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY 79 4.1. Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay cơ bản 79 4.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp Analog 80 4.3. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử 82 4.4. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 84 4.5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 88 4.6. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 89 4.7. Thực hành đo góc với encoder tương đối và tuyệt đối 90 4.8. Thực hành với cảm biến đo vòng quay 92 4.8.1 Cảm biến KMI15/1 92 4.8.2 Cảm biến đo vòng quay KMI16/1 93 4.8.3 Thực hành với cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 94
  6. - 5 - YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 4 94 BÀI 5 CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN 95 5.1 Đại cương 95 5.1.1 Tính chất ánh sáng 95 5.1.2 Các loại nguồn sáng 96 5.1.3 Các cảm biến quang 97 5.1.4 Một số cảm biến quang thông dụng 103 5.2 Cảm biến quang loại thu phát độc lập 104 5.3 Cảm biến quang loại phản xạ gương 107 5.4 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 110 5.5. Một số ứng dụng của cảm biến quang điện 111 5.6. Thực hành với cảm biến quang 115 5.6.1 Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập 115 5.6.2 Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ 116 5.6.3 Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 117 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 5 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119
  7. - 6 - MÔ ĐUN KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã môđun MĐ 21 Vị trí, ý nghĩa, vai trò của môđun: Trong nền công nghiệp sản xuất hiện đại ngày nay, rất nhiều nhà máy xí nghiệp đang trang bị cho mình những dây chuyền sản xuất tự động hoặc bán tự động. Các loại cảm biến đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển tự động, nó đóng một vai trò rất quan trọng, không một thiết bị nào có thể thay thế được. Việc trang bị cho mình những kiến thức về các loại cảm biến là nhu cầu bức xúc của các kỹ thuật viên, kỹ sư của ngành Điện tử công nghiệp cũng như những ngành khác. Mô đun Kỹ thuật cảm biến là một mô đun chuyên môn của học viên ngành Điện tử công nghiệp.Mô đun này nhằm trang bị cho học viên các trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của các loại cảm biến với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống. Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để học tiếp các môn chuyên môn của nghề Điện tử công nghiệp như PLC, Điều khiển điện-khí nén, . Mục tiêu của môđun: Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực * Về kiến thức : - Trình bày được đặc tính cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại cảm biến - Phân tích được các phương pháp kết nối mạch điện * Về kỹ năng : - Thiết kế được mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật - Thực hành lắp ráp một số mạch điều khiển thiết bị cảm biến đúng yêu cầu - Kiểm tra, vận hành và sửa chữa được mạch ứng dụng các loại cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật * Về thái độ : - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp Nội dung chính của môđun : Thời gian Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành tra* 1 Bài mở đầu: Các khái niệm cơ 2 2 0 0 bản về bộ cảm biến 2 Cảm biến nhiệt độ 57 12 44 1
  8. - 7 - 3 Cảm biến tiệm cận và một số 42 12 29 1 loại cảm biến xác định vị trí và khoảng cách khác 4 Phương pháp đo lưu lượng 25 10 14 1 5 Đo vận tốc vòng quay và góc 30 12 17 1 quay 6 Cảm biến quang điện 24 12 12 0 Cộng 180 60 116 4 * Ghi chú : Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành được tính vào giờ thực hành
  9. - 8 - BÀI MỞ ĐẦU KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Mã bài: MĐ21-00 GIỚI THIỆU Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, các bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt. Cảm biến có rất nhiều loại, rất đa dạng và phong phú, do nhiều hãng sản xuất, giúp con người nhận biết các quá trình làm việc tự động của máy móc hoặc trong tự động hoá công nghiệp. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài này học viên có đủ khả năng : - Phát biểu được khái niệm về các bộ cảm biến - Trình bày được các ứng dụng và phương pháp phân loại các bộ cảm biến - Rèn luyện tính tư duy và tác phong công nghiệp 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến: Mục tiêu : - Phát biểu được khái niệm về các bộ cảm biến - Phát biểu được các đặc trưng cơ bản của cảm biến * Khái niệm: Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất về điện cần đo thành các đại lượng mang tính chất về điện có thể đo và xử lý được Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất về điện như nhiệt độ,áp suất, tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện như điện áp, điện tích,dòng điện hoặc trở kháng chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m) : s = f(m) (1) Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến,(m) là đại lượng đầu vào hay kích thích(có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m). * Các đặc trưng cơ bản của cảm biến : - Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có sự liên hệ tuyến tính: s = S. m (2)
  10. - 9 - s Đại lượng S được xác định bởi biểu thức S (3) được gọi là độ nhạy của m cảm biến. - Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng : x  .100 ,[%] (4) x Sai số của cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. - Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn  tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với (%) xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này. Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm ) và thời gian tăng (tm ) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (t )dc và thời gian giảm (tc ) ứng vơi sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng (tdm ) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng (tm ) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó. Tương tự khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm (tdc ) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm (t )c là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó. Các thông số về thời gian (tr ) ,(tdm ) ,(tm ) ,(tdc ) ,(tc ) của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó.
  11. - 10 - Hình 1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ 2. Phạm vi sử dụng của cảm biến Mục tiêu : - Trình bày được phạm vi ứng dụng của các bộ cảm biến Ngày nay các bộ các biến được sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế và kỹ thuật như trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, .Các bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy được sử dụng trong các thí nghiệm và trong nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hóa, các bộ cảm biến được sử dụng nhiều nhất với nhiều loại khác nhau kể cả các bộ cảm biến bình thường cũng như đặc biệt. 3. Phân loại cảm biến: Mục tiêu : - Trình bày được các phương pháp phân loại các bộ cảm biến Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây : - Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Hiện tượng vật lý Nhiệt điện , quang điện , quang từ , điện từ, quang đàn hồi , từ điện , nhiệt từ, Hóa học Biến đổi hoá học , Biến đổi điện hoá , Phân
  12. - 11 - tích phổ, Sinh học Biến đổi sinh hoá , Biến đổi vật lý , Hiệu ứng trên cơ thể sống, - Theo dạng kích thích Kích thích Các đặc tính của kích thích. Âm thanh -Biên pha, phân cực-Phổ-Tốc độ truyền sóng Điện -Điện tích, dòng điện-Điện thế, điện áp-Điện trường-Điện dẫn, hằng số điện môi Từ -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường-Độ từ thẩm -Vị trí-Lực, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ứng Cơ suất, độ cứng-Mômen -Khối lượng, tỉ trọng- Độ nhớt Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lượng-Tỷ nhiệt Bức xạ -Kiểu-Năng lượng-Cường độ - Theo tính năng + Độ nhạy + Khả năng quá tải + Độ chính xác + Tốc độ đáp ứng + Độ phân giải + Độ ổn định + Độ tuyến tính + Tuổi thọ + Công suất tiêu thụ + Điều kiện môi trường + Dải tần + Kích thước,trọng lượng + Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng + Công nghiệp + Nông nghiệp + Nghiên cứu khoa học + Dân dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thông vận tải + Thông tin, viễn thông - Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế + Cảm biến tích cực (có nguồn) : Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng + Cảm biến thụ động (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại cực tính thì không cần. Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C tuyến tính hoặc phi tuyến.
  13. - 12 - YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI MỞ ĐẦU Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, ứng dụng và cách phân loại các bộ cảm biến + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phươngpháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp trong công việc.
  14. - 13 - BÀI 1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mã bài: MĐ21-01 GIỚI THIỆU Cảm biến nhiệt độ được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến tính chất của vật chất, nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó, ví dụ như áp suất, thể tích chất khí v.v. Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa .Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài này học viên có đủ khả năng: - Trình bày được cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến theo nội dung đã học - Thực hiện được các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp 1.1 Đại cương Mục tiêu : - Phát biểu được các thang đo nhiệt độ - Trình bày được tầm quan trọng của đại lượng nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ 1.1.1 Thang đo nhiệt độ Nhiệt độ có ba thang đo - Thang Kelvin : hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là K . Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước đá-nước-hơi một giá trị số bằng 273,15K (thường được sử dụng là 273K) Từ thang Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách chuyển dịch các giá trị nhiệt độ - Thang Celsius : đơn vị nhiệt độ là o C . Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định theo biểu thức : T (o C) T (K) 273,15 (1-1) - Thang Fahrenheit : đơn vị nhiệt độ là o F Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F như sau : 5 T (o C) [T (o F) 32] (1-2) 9
  15. - 14 - 9 T(o F) T(o C) 32 (1-3) 5 Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius Fahrenheit ( ()o C o F ) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước-nước đá-hơi 273,16 0,01 32,018 nước Nước sôi 373,15 100 212 Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau 1.1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo Trong tất cả các đại lượng vật lý,nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất như làm thay đổi áp suất và thể tích của chất khí,làm thay đổi điện trở của kim loại, hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau - Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler) - Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm thanh - Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck), hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh 1.2 Nhiệt điện trở Platin và Niken Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở Platin và Niken 1.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở của bản thân nó sẽ thay đổi khi nhiệt độ tác động lên nó thay đổi Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như : - Nhiệt điện trở đồng với khả năng chịu nhiệt : -50o C đến 180 o C - Nhiệt điện trở niken với khả năng chịu nhiệt : 0o C đến 300 o C - Nhiệt điện trở platin với khả năng chịu nhiệt : -180o C đến 1200 o C Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R0) chế tạo khoảng từ 10(Ω) đến 100(Ω)
  16. - 15 - Trong đó R0 là điện trở tại thời điểm ban đầu 1 R (1-4) 0 n.e. Trong đó: n - là số điện tử tự do trong một đơn vị diện tích e - là điện tích của điện tử tự do  - là tính linh hoạt của điện tử,  được đặc trưng bởi tốc độ của điện tử trong từ trường). Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi và được sử dụng nhiều. Song nhược điểm của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính lớn. 1.2.2 Nhiệt điện trở Platin Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995). USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar – VanDusen : 2 0 3 R(t) = R0 [1 + A.t + B.t + C (t – 100 C).t ] (1-5) 0 R0 là trị số điện trở định mức ở 0 C Alpha R0 Standard ohms/ohm/0C ohms Hệ số Đất nước IEC 751 0,003855055 100 -2000C < t < 00C Áo,Brazin,Úc, (Pt100) A = 3,90830 x 10-3 Bỉ,Bungari, B = - 5,77500 x 10-7 Canađa,Đan C = - 4,18301 x 10-12 mạch,Ai cập, 00C t 8500C Phần Lan,Pháp A & B như trên, ,Đức,Isaren,Ý, riêng C = 0,0 Nhật,Nam Phi, Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh, Ba Lan, Rumani SAMA 0,0039200 98,129 A = 3,97869 x 10-3 USA RC - 4
  17. - 16 - B = - 5,86863 x 10-7 C = - 4,16696 x 10-12 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC-751 và SAMA RC-4 R0 của nhiệt điện trở Pt 100 là 100Ω, của Pt 1.000 là 1.000Ω, các loại Pt 500 , Pt 1.000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn (điện trở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ). Ngoài ra còn có loại Pt 10 có độ nhạy kém dùng để đo nhiệt độ trên 6000C. Tiêu chuẩn IEC 751 chỉ định nghĩa 2 đẳng cấp dung sai A, B. Trên thực tế xuất hiện thêm loại C và D (Bảng 1.3). Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác. Đẳng cấp dung sai Dung sai (0C) A t = (0,15 + 0,002.t ) B t = (0,30 + 0,005.t ) C t = (0,40 + 0,009.t ) D t = (0,60 + 0,018.t ) Bảng 1.3 Tiêu chuẩn về dung sai Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các Platin ròng, nhờ thế sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin thường dùng có đường kính 30m (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100m ) * Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin : ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý tưởng với Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với Pt100. Trong trường hợp có sự cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có thể đo từ 500C đến 5000C, còn với nhiệt điện trở Platin tốt, có thể đo đến 1.000 0C. Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở Platin ở thang đo -200 0C đến 1.0000C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt điện trở Platin. Các thông số thiết bị ADT70 :
  18. - 17 - - Sai số : 10C - Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc 5 vôn - Nhiệt độ hoạt động: Từ – 400C đến 1250C (dạng 20 – lead DIP, SO packages) - Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ ADT70 có 2 thành phần chính : Nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại, nguồn dòng có thể điều chỉnh bộ phận khuyếch đại. Nguồn dòng được sử dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu. Bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham chiếu, sau đó đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ. (ADT70 còn có 1 opamp, 1 nguồn áp 2,5 vôn). Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn lựa nhiệt điện trở thích hợp với ứng dụng thực tế Hình 1.1 Sơ đồ khối ADT70 1.2.3 Nhiệt điện trở Niken Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp 2 lần (6,18.10 3,(o C) 1 ). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60 0C đến +2500C, vì trên 3500C niken có sự thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng. 2 4 6 R(t) = R0 (1 + A.t + B.t + D.t + F.t ) (1-6) A = 5,485 x 10-3 ; B = 6,650 x 10-6 ; D = 2,805 x 10-11 ; F = -2,000 x 10-17 Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao, ta sử dụng phương trình sau : R(t) = R0 (1 + a.t) (1-7)
  19. - 18 - a = alpha = 0,00672(Ohms/Ohm/0C) Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ : T = (Rt/R0 – 1) / a = (Rt/R0 – 1)/0,00672 (1-8) Hình 1.2 Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI 1000 Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1.000( tại 00C). - Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni : Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế * Cách nối dây đo : Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm biến không bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0 0C ta có điện thế khoảng 0,1 vôn, điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 3 kỹ thuật nối dây đo: Hình 1.3 Cách nối dây nhiệt điện trở
  20. - 19 - Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu. - Kỹ thuật 2 dây : Hình 1.4 Kỹ thuật nối 2 dây Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi 2 dây, bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở,điện trở này nối nối tiếp với điện trở của 2 dây đo,mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo, kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo, nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài ôm. Để đảm tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra,người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng một mạch điện như sau: Một biến trở bù trừ được nối vào một trong hai dây đo và nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100Ω .Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω. Ta chỉnh biến trở sao có chỉ thị 0 0C. Biến trở và điện trở của dây đo là 10Ω. - Kỹ thuật 3 dây : Hình 1.5 Kỹ thuật nối 3 dây Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm một điện trở . Với cách nối dây này ta có 2 mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn, với kỹ thuật 3 dây, sai số của phép đo do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt độ không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng một nhiệt độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến. - Kỹ thuật 4 dây : Hình 1.6 Kỹ thuật nối 4 dây
  21. - 20 - Với kỹ thuật 4 dây người ta đạt kết quả đo tốt nhất, hai dây được dùng cho một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên nhiệt điện trở, trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo coi như không đáng kể, điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt. * Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel : - Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi Platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với bột ốit nhôm, dải đo từ – 2000C đến 8000C. - Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh: Loại này có độ bền cơ học và độ nhạy cao, dải đo từ – 200 0C đến 4000C, được dùng trong môi trường hoá chất có độ ăn mòn hoá học cao. - Nhiệt điện trở với vỏ nhựa : Giữa 2 lớp nhựa polyamid dây platin có đường kính khoảng 30 mm được dán kín. Với cấu trúc mảng, cảm biến này được dùng để đo nhiệt độ bề mặt các ống hay cuộn dây biến thế. Dải đo từ – 800C đến 2300C - Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng mỏng: Loại này có cấu trúc cảm biến gồm một lớp màng mỏng (platin) đặt trên nền ceramic hoặc thuỷ tinh. Tia lazer được sử dụng để chuẩn hoá giá trị điện trở của nhiệt điện trở. 1.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo và đặc tính của cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh các đặc điểm tuyến tính, sự chính xác, phí tổn thấp, còn có thể tích hợp trong một IC cùng với bộ phận khuyếch đại và các yêu cầu xử lý tín hiệu khác, hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp cao hơn và chạy nhanh hơn. Kỹ thuật cảm biến truyền thống như cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu sự điều chỉnh có thể chuyển đổi chính xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện (dòng hoặc áp), đang được hay thế dần bởi các cảm biến silic với lợi điểm là sự nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và dễ sử dụng. * Nguyên tắc : Hình vẽ 1.7 thể hiện cấu trúc cơ bản của một cảm biến, kích thước của một cảm biến là 500 x 500 x 200(mặt trên của cảm biến là một lớp SiO2 có một vùng hình tròn được mạ kim loại có đường kính khoảng 20 m, toàn bộ mặt đáy được mạ kim loại
  22. - 21 - Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của cảm biến Silic Hình vẽ 1.8 biểu diễn mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cho cảm biến silic (sản xuất theo nguyên tắc điện trở phân rải). Sự sắp xếp này dẫn đến sự phân bố dòng qua tinh thể có dạng hình nón, đây là nguồn gốc có tên gọi điện trở phân rải. Hình 1.8 Mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cảm biến Silic Điện trở cảm biến nhiệt R được xác định như sau : R (1-9) .d Trong đó : R - là điện trở cảm biến nhiệt - là điện trở suất của vật liệu silic ( lệ thuộc vào nhiệt độ) d - là đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên - Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY(hãng Philips sản xuất) Với sự chính xác và ổn định lâu dài của cảm biến với vật liệu silic .KYT sử dụng công nghệ điện trở phân rải là một sự thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt độ truyền thống Ưu điểm chính :
  23. - 22 - - Sự ổn định : Giả thiết cảm biến làm việc ở nhiệt độ có giá trị bằng một nửa giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại, sau thời gian làm việc ít nhất là 45.000 giờ (khoảng 51 năm) hoặc sau 1.000 giờ (1,14 năm), hoạt động liên tục với dòng định mức tại giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng dưới đây TYPE Sai số tiêu biểu (K) Sai số lớn nhất (K) KTY 81 – 1 0,50 KTY 82 - 1 0,20 KTY 81 – 2 0,80 KTY 82 – 2 0,20 KTY 83 0,15 0,40 Bảng 1.4 Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng) - Sử dụng công nghệ silic : Do cảm biến được sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ silic nên gián tiếp chúng ta được hưởng lợi ích từ những tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ này đồng thời điều này cũng gián tiếp mang lại những ảnh hưởng tích cực cho công nghệ đóng gói, nơi mà luôn có xu hướng thu nhỏ. - Sự tuyến tính: Cảm biến với vật liệu silic có hệ số gần như là hằng số trên toàn bộ thang đo, đặc tính này là một điều lý tưởng để khai thác sử dụng (đặc trưng kỹ thuật của KYT 81) Nhiệt độ hoạt động của các cảm biến silic thông thường bị giới hạn ở 150 0C. KYT 84 với vỏ bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có thể hoạt động đến nhiệt độ 3000C Hình 1.9 Đặc trưng kỹ thuật của KYT 81
  24. - 23 - Đặc điểm sản phẩm : Tên sản Thang đo R25 (Ω) ∆R 0 Dạng IC phẩm ( C ) KYT 81 –1 1.000 1% tới 5% - 55 tới 150 SOD 70 KYT 81 - 2 2.000 1% tới 5% - 55 tới 150 SOD 70 KYT 82 – 1 1.000 1% tới 5% - 55 tới 150 SOT 23 KYT 82 – 2 2.000 1% tới 5% - 55 tới 150 SOT 23 KYT 83 – 1 1.000 1% tới 5% - 55 tới 175 SOD 68 (DO – 34) KYT 84 - 1 1.000 1% tới 5% - 40 tới 300 SOD 68 (DO – 34) (R100) Bảng 1.5 Đặc điểm sản phẩm của cảm biến KYT Đối với loại KYT 83, ta có phương trình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ như sau : 2 RT Rref [1 A(T Tref ) B(T Tref ) ] (1-10) Trong đó : RT - là điện trở nhiệt độ 0 0 Rref - là điện trở tại Tref (100 C với loại KYT 84 và 25 C với các cảm biến còn lại) A,B - là các hệ số Đối với KYT 81/82/84 : 2 D RT Rref [1 A(T Tref ) B(T Tref ) C(T T1) ] (1-11) Trong đó : T1 - là nhiệt độ mà độ dốc của đường cong bắt đầu giảm C và D - là các hệ số Loại cảm 0 A (K – 1) B (K – 2) C(1)(K – D) D T1 ( C) biến KYT 81 –1 7,874 x 10-3 1,874 x 10-5 3,42 x 10-8 3,7 100 KYT 81 - 2 7,874 x 10-3 1,874 x 10-5 1,096 x 10-6 3,0 100 KYT 82 – 1 7,874 x 10-3 1,874 x 10-5 3,42 x 10-8 3,7 100 KYT 82 – 2 7,874 x 10-3 1,874 x 10-5 1,096 x 10-6 3,0 100 KYT 83 7,635 x 10-3 1,731 x 10-5 - - - KYT 84 6,12 x 10-3 1,1 x 10-5 3,14 x 10-8 3,6 250 Bảng 1.6 Các hệ số của các loại cảm biến
  25. - 24 - Chú ý: Với loại cảm biến KYT 83/84 khi lắp đặt cần chú ý đến cực tính, đầu có vạch màu cần nối vào cực âm, còn KYT 81/82 khi lắp đặt ta không cần quan tâm đến cực tính * Mạch điện tiêu biểu với KTY81 hoặc KTY82 : Hình vẽ 1.10 cho ta một mạch điện điển hình được thiết kế cho cảm biến 0 0 KYT 81 – 110 hoặc KYT 82 – 110 (nhiệt độ từ 0C đến 100 C). Điện trở R 1 và R2, cảm biến và các nhánh điện trở R 3, biến trở P 1 và R4 tạo thành một mạch cầu. Giá trị R1 và R2 được chọn sao cho giá trị dòng điện qua cảm biến gần bằng 1A và tuyến tính hoá cảm biến trong dải nhiệt độ cần đo. Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính từ 0,2VS đến 0,6 VS (VS = 5 vôn thì Vout thay đổi từ 1 vôn 0 0 đến 3 vôn). Ta điều chỉnh P1 để Vout = 1 vôn tại 0 C, tại 100 C điều chỉnh P2 Vout = 3 vôn, với mạch điện này việc điều chỉnh P 2 không ảnh hưởng đến việc chỉnh zero. Hình 1.10 Mạch đo nhiệt độ sử dụng KYT81-110 1.4 IC cảm biến nhiệt độ. Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo và đặc tính của IC cảm biến nhiệt độ Rất nhiều công ty, các hãng chế tạo và sản xuất IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ IC cảm biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào các đặc tính rất nhạy cảm của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, K hay tuỳ loại. Đo tín hiệu điện ta cần biết được nhiệt độ cần đo. Tầm đo giới hạn từ -55 0C đến 1500C, độ chính
  26. - 25 - xác từ 1% đến 2% tuỳ theo từng loại. Sự tác động của nhiệt độ sẽ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỉ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm số mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p – n trong diode hay transistor sẽ tăng theo hàm số mũ theo nhiệt độ. Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt thường là điện áp của lớp chuyển tiếp p – n trong một transistor loại bipolar, Texinstruments có STP 35 A/B/C; National Semiconductor LM 35/4.5/50 vv. * Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor : Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng có phần phức tạp, chẳng hạn cặp nhiệt độ ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, thermistor thì không tuyến tính, thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này không tuyến tính tương ứng bất kỳ thang chia nhiệt độ nào. Các khối cảm biến tích hợp được chế tạo khắc phục được những đặc điểm đó, nhưng ngõ ra của chúng quan hệ với thang đo Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit Thang đo : +20C đến 1500C VS = 4Volt tới 30Volt Thang đo: -550C đến 1500C R1 = VS/50  A VS = 4Volt tới 30Volt 0 VOUT = 1500mV tại +150 C = +250mV tại +250C = -550mV tại -550C Hình 1.11 Các cách kết nối cảm biến LM35 Loại LM35: Precision Centigrade Temperature Sensor: Với loại này ta có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang nhiệt độ Celsius (thang bách phân). Như thế một mạch điện bù trừ điểm zero của thang Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối) không còn cần thiết như một số IC cảm biến nhiệt khác.
  27. - 26 - - Đặc điểm: Điện áp hoạt động: Vs = 4 vôn đến 30 vôn; Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10 mV/0C - Thang đo: - 550C đến 1500+C với LM 35/35A; - 400C đến 1100C với LM 35C/35CA; 00C đến 1000C với LM 35D; - Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,080C (trong môi trường không khí) - Mức độ không tuyến tính chỉ 1/4(0C) Loại LM 34: - Giống như LM 35 nhưng được thiết kế cho thang đo Fahrenheit từ -50 đến + 3000F - Độ chính xác 0,4(0F) - LM 34 có ngõ ra 10mV/0F - Điện áp hoạt động: Từ 5 vôn DC đến 20 vôn DC Trở kháng ngõ ra LM 34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng. * Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices : Cảm biến AD 590 (Analog Devices) được thiết kế làm cảm biến nhiệt có tổng trở ngõ ra khá lớn (10 MΩ), vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất, khiến cho dòng mA ra tương ứng với chuẩn nhiệt độ K. Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi, dòng điện thay đổi rất ít. - Thang đo: - 550C đến 1500C - Điện áp hoạt động: Từ 4 vôn DC đến 30 vôn DC - Dòng điện ra tỉ lệ: 1 A/0K 1.5 Nhiệt điện trở NTC Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở NTC NTC (Negative Temperature Conficient) là nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm nghĩa là giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, giảm từ 3% đến 5% trên 1 độ * Cấu tạo : NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều ôxit gốm đã được nung chảy ở nhiệt 0 0 độ cao (1.000 C đến 1.400 C) như Fe2O3 ; Zn2TiO4 ; MgCr2O4 ; TiO2 hay NiO và CO với Li2O. Để có các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn định với thời gian dài, nó còn được xử lý với những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo * Đường đặc tính cảm biến nhiệt NTC : - Đặc tính nhiệt độ - điện trở
  28. - 27 - Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở phần tử thermistor NTC dẫn nóng có thể biểu diễn theo công thức : 1 1 B( ) T N RT RN .e (1-12) hoặc : T . T . N TN T RT RN .e (1-13) ở đây : B (1-14) TN T 2 Trong đó : RT – điện trở phần tử thermistor NTC ở nhiệt độ T 0 RN – điện trở thermistor NTC ở nhiệt độ dẫn xuất T = 293K = 20 C B – hằng số vật liệu, xác định sự phụ thuộc nhiệt độ dẫn nóng – hệ số nhiệt của phần tử thermistor NTC TN Các biểu thức trên mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt điện trở thermistor NTC ở dạng gần đúng. Đối với những phép đo chính xác hơn trong một phạm vi biến thiên nhiệt độ rộng hơn thì ít nhiều sẽ có sai lệch. Cho nên phải coi hằng số B là hàm biến thiên theo nhiệt độ. Hình 1.12 vẽ các đặc tuyến biến trở phụ thuộc nhiệt độ đối với các trị số điện trở dẫn xuất và giá trị B khác nhau. Hình 1.12 Đặc tính nhiệt độ-điện trở Hình 1.13 Đặc tính volt-ampere - Đặc tính volt – ampere Trường hợp dòng điện hay điện áp của thermistor NTC lớn hơn bình thường sẽ làm nóng thermistor lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của môi trường. Việc này dẫn tới trạng thái tổn hao công suất điện năng do tăng dòng hay áp sẽ bằng công suất mà phần tử dẫn nóng toả ra môi trường dưới dạng độ nóng gia tăng ấy. Nhằm nghiên cứu các đặc tính này người ta xác định đặc tuyến
  29. - 28 - tĩnh của phần tử. Hình 1.13 vẽ đặc tuyến như vậy của một thermistor NTC dẫn nóng Vị trí điểm cực đại trên đặc tuyến volt-ampere tùy thuộc điện trở nguội của thermistor NTC, nhiệt độ môi trường và cả diện tích bề mặt của phần tử dẫn nóng. Phần tử có diện tích bề mặt lớn hơn,do đó tản nhiệt tốt hơn, sẽ phát tán công suất ra môi trường nhiều hơn so với phần tử có diện tíchbề mặt nhỏ. Trong trường hợp đó điểm cực đại sẽ xê dịch về phía trị số dòng và áp lớn hơn. Các phần tử nhiệt điện trở dẫn nóng dùng trong đo lường và mạch điều khiển bù cân bằng chỉ nên chịu tải nhẹ, sao cho không bị phát nhiệt tự thân, như vậy trị số điện trở của chúng mới thật sự chỉ tùy thuộc nhiệt độ môi trường. Do điện trở nguội và hệ số nhiệt có thể khác nhau cho những phần tử cùng loại, đến mức thường phải chỉnh định cân bằng trị số phần tử bằng cách mắc nối tiếp hay song song một điện trở không phụ thuộc nhiệt độ. Để tuyến tính hoá đặc tuyến,người ta dùng sơ đồ mắc phần tử dẫn nóng vào một bộ phân áp (hình 1.14) . Điện trở cóR1 trị số sao cho phần tử nhiệt điện trở NTC chỉ thị vào khoảng giữa phạm vi nhiệt độ làm việc. Trị số điện trở R2 lớn gấp 10 lần điện trở R. 1 Hình 1.14 Tuyến tính hóa đặc tuyến phần tử biến trở NTC * Các thông số của biến trở NTC : - Tmin; Tmax là giới hạn nhiệt độ hoạt động của NTC. - Pmax là công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt trong NTC * Ứng dụng : NTC có rất nhiều ứng dụng, được chia ra làm 2 loại đó là loại dùng làm đo lường và loại làm bộ trễ. - Loại dùng làm đo lường: trong đo lường và tác động bù, cần tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng NTC lớn, như vậy NTC hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính, như đã mô tả trước đây, trong vùng này điện trở của NTC được xác định bằng nhiệt độ môi trường, phạm vi chủ yếu của NTC trong lĩnh vực này là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều khiển. Tuy nhiên NTC cũng được dùng
  30. - 29 - để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở, làm ổn định nhiệt độ cho các mạch điện tử dùng bán dẫn. - Loại dùng làm bộ trễ: NTC có tính chất trễ, khi dòng điện qua nó lớn đến nỗi điện trở giảm nhiều do quá trình tự toả nhiệt, tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh. Nhiệt điện trở NTC tạo tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh trong mạch đèn chiếu sáng loại có tim, mạch động cơ công suất nhỏ, mạch đốt tim các bóng điện tử, mạch có tính dung kháng (tụ) 1.6 Nhiệt điện trở PTC Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở PTC Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coefficent) là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương (giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng). Trong một khoảng nhiệt độ nhất định PTC có hệ số nhiệt độ R rất cao. * Cấu tạo : Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp barium carbonate và một vài ôxit kim loại khác được ép và nung, nhiều tính chất về điện khác nhau có thể đạt được bằng cách gia giảm các hợp chất trộn khác nhau về nguyên vật liệu bằng cách gia nhiệt theo nhiều phương pháp khác nhau, sau khi gia nhiệt nung kết các mối nối đã được hình thành ở trong thermistors sau đó trong quá trình sản xuất các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào, nhiệt điện trở PTC thông thường được phủ bên ngoài một lớp vỏ có cấu tạo như vecni để chống lại ảnh hưởng của môi trường không khí * Đặc tính nhiệt độ - điện trở của nhiệt điện trở PTC : Phần tử nhiệt điện trở PTC dẫn nguội có hệ số nhiệt độ dương PTC rất lớn trong một phạm vi nhiệt độ đặc trưng. Trong khoảng nhiệt độ này điện trở thermistor gia tăng hơn mười phần trăm . Sự gia tăng điện trở là do tác động chất bán dẫn và hiệu ứng sắt-điện. Ở vùng lân cận hạt nhân tinh thể có một lớp chặn mà độ lớn mức điện thế của nó tùy thuộc hằng số điện môi của vật liệu quanh nó. Sự hình thành lớp chặn quyết định mức gia tăng điện trở. Ở miền điện trở thấp, lớp chặn dàn ra tương đối yếu, hằng số điện môi lớn, nhiệt độ làm việc của phần tử thấp hơn nhiệt độ chuyển pha, được coi như trị số giới hạn hay còn gọi là nhiệt độ Curie. Trên mức ngưỡng nhiệt độ chuyển pha thì hằng số điện môi giảm xuống, lớp chặn mạnh lên, và như vậy điện trở phần tử tăng lên có dạng dốc đứng. Sự hoạt hoá nhiệt của tải gây ra sự sụt giảm điện trở ở chất bán dẫn, sẽ được bù hoàn, mặc dù vẫn còn có thể nhận thấy ở miền nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie. Điểm đầu phạm vi làm việc gọi là nhiệt độ ban đầu T ,A điện trở tương ứng với nhiệt độ đó là điện trở ban đầu RA – là trị số điện trở nhỏ nhất của phần tử
  31. - 30 - nhiệt điện trở PTC. Điện trở tương ứng điểm đầu đoạn tăng trưởng dốc đứng được coi là trị số danh định ởR Nnhiệt độ danh định .NhiệtTN độ danh định gần như tương ứng nhiệt độ Curie của vật liệu phần tử nhiệt điện trở dẫn nguội. Để trị danh định trở thành giá trị có thể tái lặp lại, người ta thống nhất rằng trị số điện trở danh định RcóN độ lớn gấp đôi trị điện trở ban đầu R A RN 2.RA (1-15) Nhiệt độ cuối TlàE điểm cuối đoạn tăng trưởng điện trở dốc đứng. Như thấy từ sự biến thiên điện trở của phần tử dẫn nguội phụ thuộc vào nhiệt độ, các giá trị nhiệt độ cuối TvàE điện trở cuối R khôngE phải là những thông số đặc trưng của phần tử cảm biến nhiệt điện trở Hình 1.15 Đặc tính nhiệt độ - điện trở * Các thông số của cảm biến nhiệt PTC : - TN: Nhiệt độ danh định, tại giá trị nhiệt độ RN = 2.RA - R : Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở PTC. - TE: Nhiệt độ giới hạn vùng làm việc. 0 - R25: Điện trở của PTC khi ở môi trường nhiệt độ 25 C * Ứng dụng : Ứng dụng tính chất giá trị điện trở tăng (khi nhiệt độ tăng): Khởi động bóng đèn huỳnh quang, mạch bảo vệ quá tải vv - Nhiệt điện trở PTC được mắc trong một cầu đo của mạch so sánh (hình 1.16), tại nhiệt độ bình thường R P RS nên điện áp ngõ ra V0 lên mức cao (hình 1.17)
  32. - 31 - Hình 1.16 Mạch so sánh Hình 1.17 Đặc tuyến V0 - PTC được dùng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng cách đo trực tiếp, cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn Stato, tín hiệu được xử lý nhờ một thiết bị điều khiển dẫn đến tác động (Hình 1.18) Nếu nhiệt độ trong cuộn dây động cơ ở trạng thái bình thường thì điện trở cảm biến giảm xuống đến mức thấp cần thiết Reset, thiết bị tự động reset nếu thiết bị không cài đặt reset bằng tay Hình 2.18 Mạch bảo vệ động cơ 1.7 Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70 Mục tiêu : - Thực hiện được các mạch cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70 đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
  33. - 32 - * Mục đích : Khảo sát cảm biến nhiệt độ Pt 100, Pt 1.000 * Thiết bị : Cảm biến Pt 100 và Pt 1000, IC ADT70 * Thực hiện : - Lắp đặt mạch đo nhiệt độ sử dụng nhiệt độ trở Pt1000 với IC ADT 70 như hình 1.19. + Đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass) : VOUT = + Tính giá trị nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm  t = - Lắp mạch như hình 1.19, nhưng cần lưu ý thay giá trị điện trở RG= 4,98kΩ như hình 1.20 (Việc thay RG giúp giữ tỉ lệ điện áp ngõ ra và nhiệt độ như khi dùng Pt1.000) + Thay điện trở tham chiếu 1000Ω bằng điện trở 100Ω + Đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass) : VOUT = + Tính giá trị nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm  t = Hình 1.19 Pt1.000 và ADT 70
  34. - 33 - Hình 1.20 Pt100 và ADT 70 1.8 Thực hành với cảm biến LM35 Mục tiêu : - Thực hiện được các mạch cảm biến LM35 đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp * Mục đích : Khảo sát IC LM35 * Thiết bị : - IC LM 35, điện trở. - Diod 1N914, diod zener. - Mili vôn kế * Thực hiện : Với IC LM35 điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang đo Celsius. Thực tế IC LM35 có 4 dạng như sau : Hình 1.21 Sơ đồ chân của IC LM35 - Lắp mạch như ở hình vẽ 1.22 thang đo + 20C đến 1500C + Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT - Lắp mạch như ở hình vẽ 1.23 thang đo - 550C đến 1500C Giá trị R1 được chọn tuỳ thuộc vào –VS ; R1 = - VS/50 A. + Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT =
  35. - 34 - + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT Hình 1.22 Hình 1.23 - Lắp mạch như hình vẽ 1.24 thang đo từ -550C đến 1500C + Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT - Lắp mạch như ở hình vẽ 1.25 Chú ý trong mạch này giá trị điện áp ra tỉ lệ với nhiệt độ thang đo Fahrenheit + Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT = + Tính nhiệt độ t = + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT Hình 1.24 Hình 1.25 1.9 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC Mục tiêu : - Thực hiện được các mạch cảm biến nhiệt điện trở NTC đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
  36. - 35 - * Mục đích : Xây dựng đường đặc tính R = f( ) và I = f(U) * Thiết bị : - Nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Coeffcient) - Vôn kế, miliampekế * Thực hiện : Sự thay đổi điện trở có thể tạo ra qua việc thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh hoặc qua việc tự nóng cũng như làm lạnh tuỳ theo tải điện khác nhau . Đường đặc tính của điện trở NTC là đường biểu diễn hàm số mũ, nó phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, dạng cấu tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ. Bỏ qua sự thay đổi điện trở do nhiệt độ của môi trường vì trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ coi như không đổi. Lắp thí nghiệm theo mạch hình 1.26, đo dòng điện qua điện trở NTC theo các điện áp đã cho trong bảng dưới đây, để chỉnh được trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp, các phép đo được thực hiện lần lượt theo khoảng cách về thời gian là 30s Hình 1.26 Để xây dựng đặc tính của R = f( ) cần đồi hỏi các giá trị điện trở của điện trở NTC được xác định từ các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp cho trước ở bảng sau đây: U(V) 5 10 15 20 25 28 I(mA) R(kΩ) I R (mA) (k ) 7 6,6
  37. - 36 - 6 6,2 5 5,8 4 5,4 3 5,0 2 4,6 1 4,2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 U(V) Bảng 1.7 Bảng các giá trị điện áp 1.10 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC Mục tiêu : - Thực hiện được các mạch cảm biến nhiệt điện trở PTC đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp * Mục đích : Xây dựng đường đặc tính R = f( ) và I = f(U) * Thiết bị : - Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coeffcient) - Vôn kế, miliampekế * Thực hiện : Sự thay đổi điện trở có thể tạo ra qua việc thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh hoặc qua việc tự nóng cũng như làm lạnh tuỳ theo tải điện khác nhau . Đường đặc tính của điện trở PTC là đường biểu diễn hàm số mũ, nó phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, dạng cấu tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ. Bỏ qua sự thay đổi điện trở do nhiệt độ của môi trường vì trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ coi như không đổi. Lắp thí nghiệm theo mạch hình 1.27, đo dòng điện qua điện trở PTC theo các điện áp đã cho trong bảng dưới đây, để chỉnh được trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp, các phép đo được thực hiện lần lượt theo khoảng cách về thời gian là 30s
  38. - 37 - Hình 1.27 Để xây dựng đặc tính của R = f( ) cần đồi hỏi các giá trị điện trở của điện trở NTC được xác định từ các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp cho trước ở bảng sau đây : U(V) 1 2 4 5 6 10 12 16 20 24 I(mA) R(kΩ) Bảng 1.8 Bảng các giá trị điện áp I R (mA) (k ) 140 1400 120 1200 100 1000 80 800 60 600 40 400 20 200
  39. - 38 - 0 0 4 8 12 16 20 24 28 U(V) YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 1 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến nhiệt độ + Về kỹ năng: lắp ráp đúng yêu cầu kỹ thuật các mạch điện và tính toán đúng các thông số yêu cầu và vẽ đúng các đường đặc tính của cảm biến + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phươngpháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành lắp ráp mạch điện, các thông số tính toán và đường đặc tính của cảm biến theo yêu cầu của bài + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp trong công việc.
  40. - 39 - BÀI 2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH Mã bài: MĐ21-02 GIỚI THIỆU Cảm biến tiệm cận được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực tự động hoá quá trình sản xuất, trong các dây chuyền tự động hoá sản xuất, trong các nơi làm việc khó khăn, độc hại, vì cảm biến tiệm cận dùng để nhận biết có hoặc không các vật thể. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài này học viên có đủ khả năng: - Phát biểu được đặc tính của cảm biến tiệm cận theo nội dung đã học - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của các loại cảm biến tiệm cận, đo vị trí và khoảng cách theo nội dung đã học. - Trình bày được cách phân loại các loại cảm biến theo nội dung đã học - Thực hiện được các mạch cảm biến điện cảm và điện dung đạt các yêu cầu về kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong quá trình học tập 2.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) Mục tiêu : - Phát biểu được đặc tính của cảm biến tiệm cận - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của các loại cảm biến tiệm cận - Trình bày được cách phân loại các loại cảm biến tiệm cận * Đại cương về cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận là tên thường gọi để chỉ các cảm biến chuyên dùng để đo lường, phát hiện vật ở một khoảng cách gần, mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp lên vật đo lường. Cảm biến tiệm cận có các đặc điểm sau : - Phát hiện vật không cần tiếp xúc - Tốc độ đáp ứng cao - Đầu sensor nhỏ, có thể lắp đặt nhiều nơi
  41. - 40 - - Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Đối với cảm biến tiệm cận thường được chia thành hai loại, đó là : - Cảm biến điện cảm - Cảm biến điện dung * Các thuật ngữ thường sử dụng : - Vật chuẩn, vật cảm biến : + Vật chuẩn (Standard Object) : Một vật được là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu kích cỡ của vật liệu phải phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất để có thể phát huy hết đặc tính kỹ thuật của sensor Hình 2.1 Cách đo lường không tiếp xúc của cảm biến tiệm cận + Vật cảm biến (Target Object) : là vật được đưa vào để cho cảm biến đo lường, phát hiện, hay nói cách khác đây chính là vật cần đo lường . do đó, để có thể phát huy được các tính năng kỹ thuật của cảm biến, yêu cầu người thiết kế phải biết rõ các tính chất của vật cảm biến để có thể lựa chọn cảm biến phù hợp. - Khoảng cách phát hiện, khoảng cách cài đặt : + Khoảng cách phát hiện (Detecting Distance) : là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị trí vật chuẩn xa nhất mà sensor có thể phát hiện được + Khoảng cách cài đặt (Setting Distance) : là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị trí vật cảm biến để sensor có thể phát hiện vật ổn định (thường khoảng cách này bằng 70-80% khoảng cách phát hiện)
  42. - 41 - Hình 2.2 Khoảng cách phát hiện vật chuẩn của cảm biến Hình 2.3 Khoảng cách cài đặt đối với vật cảm biến - Thời gian đáp ứng, tần số đáp ứng : + Thời gian đáp ứng (Response Time) :
  43. - 42 - Hình 2.4 Minh họa về thời gian đáp ứng T1 : Khoảng thời gian từ lúc vật chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của sensor tới lúc đầu ra của sensor lên ON T2 : Khoảng thời gian từ lúc vật chuẩn chuyển động đi ra khỏi vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra của sensor tắt về OFF Nếu T1 và T2 càng lớn thì thời gian trễ sẽ càng cao,do đó chúng ta mong muốn T1 và T2 càng nhỏ càng tốt + Tần số đáp ứng (Response Frequency) : Tần số của vật cảm biến là số lần xuất hiện lặp lại của vật cảm biến trong vùng tác động của cảm biến. Được ký hiệu là fvật cảm biến : 1 fvật cảm biến (2-1) T1 T2 ON ON OFF OFF Cảm biến T2 T1 Hình 2.5 Minh họa về tần số đáp ứng
  44. - 43 - Tần số đáp ứng của cảm biến là số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng tác động của cảm biến. Và yêu cầu tần số đáp ứng của cảm biến phải lớn hơn tần số của cảm biến. 2.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) * Tác dụng : Dùng để phát hiện những vật bằng kim loại, với khoảng cách phát hiện nhỏ (có thể lên đến 50mm) * Cấu tạo và nguyên lý hoạt động : - Cấu tạo : Vật cảm biến Vỏ bảo vệ Cuộn dây Tín hiệu ra Vùng từ trường Tạo từ trường Biến đổi Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm Các bộ phận chính : + Tạo từ trường gồm : bộ tạo dao động và cuộn dây cảm ứng, + Biến đổi gồm : cuộn dây so sánh, bộ so sánh, bộ khuếch đại + Tín hiệu ra - Nguyên lý hoạt động : Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao và truyền tần số này qua cuộn cảm ứng để tạo ra vùng từ trường ở phía trước .Đồng thời năng lượng từ bộ tạo dao động cũng được gửi qua bộ so sánh để làm mẫu chuẩn. Khi không có vật cảm biến nằm trong vùng từ trường thì năng lượng nhận về từ cuộn dây so sánh sẽ bằng với năng lượng do bộ dao động gửi qua như vậy sẽ không có tác động gì xảy ra. Khi có vật cảm biến bằng kim loại nằm trong vùng từ trường,dưới tác động của vùng từ trường trong kim loại sẽ hình thành dòng điện xoáy. Khi vật cảm biến càng gần vùng từ trường của cuộn cảm ứng thì dòng điện xoáy sẽ tăng lên đồng thời năng lượng phát trên cuộn cảm ứng càng giảm . Qua đó, năng
  45. - 44 - lượng mà cuộn dây so sánh nhận được sẽ nhỏ hơn năng lượng mẫu chuẩn do bộ dao động cung cấp. Sau khi qua bộ so sánh tín hiệu sai lệch sẽ được khuếch đại và dùng làm tín hiệu điều khiển ngõ ra * Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm : Xét về hình dáng thì cảm biến tiệm cận điện cảm có hai loại : - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại có vỏ bảo vệ (Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện cảm đầu bằng : có vùng từ trường tập trung phía trước mặt cảm biến, nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh nhưng phạm vi đo nhỏ đi Hình 2.7 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu bằng E2EV của hãng Omron - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không có vỏ bảo vệ (Un-Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi : có vùng từ trường tập trung phía trước mặt và xung quanh cảm biến, nên phạm vi đo rộng hơn nhưng dễ bị nhiễu bởi kim loại xung quanh Hình 2.8 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi E2E-X2F1 2M OMS của hãng Omron * Khoảng cách đo – các yếu tố ảnh hưởng : - Vật liệu của vật cảm biến : Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của vật cảm biến. Các vật liệu có độ từ tính hoặc kim
  46. - 45 - loại có chứa sắt sẽ có khả năng phát hiện xa hơn các vật liệu không có từ tính hoặc không chứa sắt Iron SUS Brass Aluminum cách phát hiện (mm) Khoảng cách phát Copper Từ tính của vật Hình 2.9 Đường đặc tuyến quan hệ giữa khoảng cách phát hiện và từ tính của vật Hình 2.10 Ảnh hưởng của vật liệu làm vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện - Kích cỡ của vật cảm biến : Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của sensor sẽ giảm
  47. - 46 - Hình 2.11 Ảnh hưởng của kích cỡ vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện - Bề dày của vật cảm biến : Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, ), bề dày vật phải lớn hơn hoặc bằng 1mm. Bề dày của vật cảm biến càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng giảm. Hình 2.12 Ảnh hưởng của bề dày vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện - Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến : Nếu vật cảm biến được mạ, khoảng cách phát hiện cũng sẽ bị ảnh hưởng. Ở đây ta lấy ví dụ cho các cảm biến của hãng Omron Số Vật liệu làm lõi Vật liệu mạ và độ dày thứ tự Thép Đồng 1 Không mạ 100 (%) 100 (%) 2 Zn (5 15m ) 90 120 95 105
  48. - 47 - 3 Cd (5 15m ) 100 110 95 105 4 Ag (5 15m ) 60 90 85 100 5 Cu (10 20m ) 70 90 95 105 6 Cu (5 15m ) 95 105 7 Cu (5 10m ) + Ni (10 20m ) 70 95 8 Cu (5 10m ) +Ni (10m ) +Cr (0.3m ) 75 95 Bảng 1.1 Ảnh hưởng của lớp mạ bên ngoài cảm biến đến khoảng cách phát hiện 2.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) * Tác dụng : Dùng để phát hiện những bằng phi kim, với khoảng cách phát hiện nhỏ (có thể lên đến 50mm) * Cấu tạo và nguyên lý hoạt động : - Cấu tạo : Các bộ phận chính : + Tạo vùng điện môi (hoặc vùng từ trường) gồm : bộ tạo dao động và các bản cực hở (bản cực trong và bản cực ngoài) + Biến đổi gồm : bộ so sánh, bộ khuếch đại + Tín hiệu ra Hình 2.13 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung - Nguyên lý hoạt động : Bộ dao động sẽ phát ra tần số cao và truyền tần số này qua hai bản cực hở để tạo ra vùng điện môi (hoặc vùng từ trường) ở phía trước . Đồng thời năng lượng từ bộ dao động cũng được gửi qua bộ so sánh để làm mẫu chuẩn.
  49. - 48 - Khi không có vật cảm biến nằm trong vùng điện môi thì năng lượng nhận về từ hai bản cực hở sẽ bằng với năng lượng do bộ dao động gửi qua như vậy sẽ không có tác động gì xảy ra. Khi có vật cảm biến bằng phi kim (giấy, nhựa, gỗ, ) nằm trong vùng điện môi thì vùng điện môi sẽ hình thành một tụ điện và điện dung của tụ diện sẽ bị thay đổi tức là năng lượng trên tụ điện giảm đi. Qua đó, năng lượng mà bộ so sánh nhận được sẽ nhỏ hơn năng lượng mẫu chuẩn do bộ dao động cung cấp. Sau khi qua bộ so sánh tín hiệu sai lệch sẽ được khuếch đại và dùng làm tín hiệu điều khiển ngõ ra. * Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung : Xét về hình dáng thì cảm biến tiệm cận điện dung có hai loại : - Cảm biến tiệm cận điện dung loại có vỏ bảo vệ (Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện dung đầu bằng : có vùng điện môi (hoặc vùng từ trường) tập trung phía trước mặt cảm biến, nên ít bị nhiễu bởi những phi kim và kim loại xung quanh nhưng phạm vi đo nhỏ đi Hình 2.14 Cảm biến tiệm cận điện dung đầu bằng CR Series của hãng Autonics - Cảm biến tiệm cận điện dung loại không có vỏ bảo vệ (Un-Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện dung đầu lồi : có vùng điện môi (hoặc từ trường) tập trung phía trước mặt và xung quanh cảm biến, nên phạm vi đo rộng hơn nhưng dễ bị nhiễu bởi kim loại xung quanh
  50. - 49 - Hình 2.15 Cảm biến tiệm cận điện dung đầu lồi E2K-X8MF1 2M của hãng Omron * Cách kết nối ngõ ra của cảm biến tiệm cận điện cảm: - Ngõ ra dạng NPN Transittor và PNP Transittor : Với điện áp DC thấp, cảm biến có 2 dạng cấu hình ngõ ra phổ biến là kiểu NPN Transittor và PNP Transittor Hình 2.16 NPN transitor Hình 2.17 PNP transitor - Ngõ ra dạng Transittor FETS : Hình 2.18 Transittor FETS Ngõ ra dạng khác là kiểu Transittor FETS cung cấp đáp ứng nhanh, dòng tiêu hao rất nhỏ,dòng điều khiển để thay đổi trạng thái chỉ cần cỡ 30 A, song
  51. - 50 - nhìn chung giá thành cao hơn so với 2 loại trên. Có thể kết nối song song ngõ ra của FET như tiếp điểm cơ khí của rơle (cả điện áp AC hay DC). Dạng FET công suất thì tiếp điểm ngõ ra có thể chịu được dòng đến 500 mA - Ngõ ra dạng Triac : Cảm biến ngõ ra dạng triac được thiết kế để có thể sử dụng như công tắc cho điện AC. Cảm biến dạng này cung cấp ngõ ra có thể chịu được dòng lớn, điện áp rơi thấp do đó thích hợp với việc kết nối với các công tắc tơ lớn. Dòng tiêu hao của nó lớn hơn so với FETS, giá trị này vượt quá 1mA do đó không thích hợp để kết nối với các thiết bị như PLC Hình 2.19 Triac Hình 2.20 Analog - Ngõ ra dạng Analog : Cảm biến có thể cung cấp tín hiệu ngõ ra dưới dạng dòng và áp tương ứng (hay nghịch đảo sự tương ứng) với sự phát hiện. Trạng thái ngõ ra của cảm biến có thể là thường đóng (NO) hoặc thường mở (NC). Ví dụ cảm biến loại PNP, trạng thái ngõ ra là Off khi không có đối tượng xuất hiện thì nó là loại thiết bị thường mở, ngược lại trạng thái ngõ ra On khi không có đối tượng xuất hiện thì nó là loại thường đóng. Ngoài loại 3 dây, cảm biến còn có loại 4 dây và loại 2 dây, với loại 4 dây trong một cảm biến có 2 loại ngõ ra đó là thường đóng và thường mở. - Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau : Trong một số ứng dụng đòi hỏi phải sử dụng nhiều hơn 1 cảm biến, các cảm biến có thể nối song song hoặc mắc nối tiếp, khi mắc song song, ngõ ra lên On khi tất cả các cảm biến đều lên On, còn khi mắc nối tiếp, chỉ cần trong số các cảm biến lên On thì ngõ ra lên On 2.2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Mục tiêu : - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của các loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 2.2.1 Xác định vị trí và khoảng cách dùng biến trở ( Resistance
  52. - 51 - Transducer ) * Nguyên lý : Các phần tử biến trở thường được chế xuất dưới dạng chiết áp potentiometer. Trị số điện trở thuần Ohm của biến trở kim loại dây cuốn là: l R , [ ]; (2-2) S mm 2 Trong đó : - điện trở suất vật liệu điện trở, [ ]; m l – chiều dài dây cuốn điện trở; S – tiết diện dây trở, [mm 2 ]. Về cấu trúc, các chiết áp có tiếp điểm con trượt: chuyển động thẳng linear- hay vòng (arc-shaped-) (hình 2.21), một vòng hay nhiều vòng. Kiểu thông dụng là có bộ phận truyền động trục quay con trượt (quay tay hay dùng máy điện). Biến trở được thực hiện bằng điện trở dây cuốn, hoặc màng điện trở film resistor bằng một lớp carbon hay chất dẻo dẫn điện. Mỗi chiết áp thực tế không tránh khỏi có những thành phần điện cảm và điện dung. Tuy nhiên, có thể bỏ qua những thành phần đó, nếu dùng điện một chiều hay xoay chiều tần số thấp. Hiện nay đang phát triển loại biến trở từ – magnetic field resistors, làm việc không tiếp xúc và do đó không bị ảnh hưởng ma sát con trượt Hình 2.21 Cảm biến điện trở: ; Hình 2.22 Sai lệch tuyến tính của a). Chiết áp thẳng chiết áp do dung sai chế tạo b). Chiết áp vòng (amular) * Các thông số đặc trưng của biến trở : - Trị số điện trở (danh định): Trị số điện trở điển hình là 100[ ] và 100 [k  ]. - Mức tổn hao công suất cho phép: Tổn hao sẽ tăng tùy theo mức tăng điện áp nếu điện trở nhỏ. Với điện trở lớn thì không chỉ làm tăng ảnh hưởng thành phần điện cảm và điện dung mà còn có nguy cơ làm tăng nhiễu điện-từ. Do đó, tùy trường hợp ứng dụng cụ thể mà tìm phương án thoả hiệp. Do đó, điện áp lớn nhất U0 max có thể cung cấp cho chiết áp được tính bằng : U0 max Pth R ; [V] (2-3)
  53. - 52 - Trong đó : Pth – công suất tổn hao cho phép của chiết áp, [W]; R – trị số điện trở, [ ]. - Dung sai cho phép: Dung sai là sai số lớn nhất có thể cho phép. Dung sai của chiết áp là sai lệch giữa trị số thực tế và trị số danh định, tính bằng [%] trị danh định, tức là sai số tương đối của biến trở chiết áp. Nó nằm trong phạm vi (1 10)[%]. Trị số điển hình là trong khoảng 3[%] và 5[%]. - Độ tuyến tính: Độ tuyến tính là đặc tính đặc biệt quan trọng đối với các phần tử tự động. Thậm chí trong điều kiện không tải, ví dụ khi điện áp đầu ra được xác định theo phương pháp bù (cân bằng), coi như không có sụt áp trên đầu đo, thì thay đổi điện áp đầu ra cũng vẫn không thật tuyến tính với đường trượt hay góc quay của con trượt. Độ sai lệch điện trở thực tế so với đường cong lý tưởng thường là trong khoảng 0,05[%] và 1[%] (hình 3.17). Chiết áp dây cuốn có độ tuyến tính tốt hơn cả, nhưng có nhược điểm là giá trị biến trở thay đổi đúng bằng độ lớn vòng dây, từ vòng này sang vòng khác. Nói cách khác, độ phân giải bằng độ lớn điện trở một vòng dây. Trong thực tế, có thể chế tạo chiết áp với 25 vòng trên 1 [mm], tức là độ phân giải giới hạn trong khoảng 40 [m]. - Độ phân giải: Độ phân giải của chiết áp vòng đơn đường kính 25 [mm] là khoảng 0,2 . Về lý thuyết, các chiết áp kiểu màng carbon hay màng dẻo điện dẫn có độ phân giải vô định. Trên thực tế, có thể đạt 0,01 [mm] khi đo dịch chuyển thẳng và 0.01 khi đo di góc. Tuy nhiên độ tuyến tính của những cảm biến này kém hơn các chiết áp dây cuốn * Sơ đồ đo : Phương pháp xác định trị số điện trở chính xác nhất là sử dụng sơ đồ cầu đo. Hình 2.23 giới thiệu nguyên lý sơ đồ mạch cầu ứng dụng cho phần tử biến trở. Sơ đồ mạch cầu ứng dụng cho phần tử biến trở có thể thực hiện theo nguyên lý sơ đồ cầu cân bằng, khi đó sơ đồ hình 2.23 được chỉnh định sao cho điện áp đường chéo cầu U D = 0 [V], tức là dùng điện kế galvanometer chỉ thị “0”. Khi cầu cân bằng, có thể xác định trị số điện trở chưa biết R1 RX theo giá trị biết trước của các điện trở kia. R3 RX R2 . . (2-4) R4 Cũng có thể sử dụng sơ đồ cầu theo nguyên lý cầu lệch để xử lý gia công tín hiệu đo, khi đó đồng hồ chỉ thị điện áp đường chéo cầu U D là điện áp đầu ra. Thông thường phần tử biến trở R 2trong sơ đồ cầu lệch hình 2.24 thay đổi theo chuyển vị x dạng R2 R(1 x) . (2-5)
  54. - 53 - Đối với những chuyển dịch nhỏ, tức là x <<1, thì: R(1 x) 1 U 0 x U 0 U D U 0 . .  .x f (x) . (2-6) R R(1 x) 2 4 1 x 4 x 1 2 Như vậy, điện áp đường chéo cầu U D – chính là điện áp ra, tỷ lệ với độ chuyển dịch x. Hình 2.23 Sơ đồ cầu trở với Hình 2/24 Sơ đồ cầu trở với một phần tử biến trở hai phần tử biến trở Để tăng độ nhạy, có thể dùng sơ đồ hai phần tử cảm biến (hình 2.24). Khi đó điện áp ra sẽ bằng : R(1 x) R U 0 U D U 0 .  .x (2-7) ; với x<<1 R R(1 x) R R(1 x) 2 tức là điện áp đầu ra tăng gấp đôi so với sơ đồ hình 2.23 Hình 2.25 giới thiệu sơ đồ mạch cầu có 4 phần tử cảm biến, điển hình là dùng hai biến trở vi sai. Khi đó: R(1 x) R(1 x) 2Rx U D U 0 . U 0 .  U 0 .x . R(1 x) R(1 x) R(1 x) R(1 x) R(1 x) R(1 x) (2-8) Hình 2.26 là phương án sơ đồ mạch cầu dùng cho biến trở chiết áp tuyến tính. U Ở đây U  0 .x (2-9) D 2 Hình 2.25 Sơ đồ cầu trở với Hình 2.26 Sơ đồ cầu trở dùng bốn phần tử biến trở cho biến trở chiết áp tuyến tính 2.2.2 Xác định vị trí khoảng cách bằng tự cảm (Inductance Transducers)
  55. - 54 - * Nguyên lý : Điện cảm của cuộn dây được xác định bằng : N 2  A L 0 r ; (2-10) l Trong đó : N – số vòng dây 0 - độ từ thẩm của khoảng không 7 0 = 4 .10 [H/m] r – độ từ thẩm tương đối A – diện tích l – độ dài của cuộn dây. Trên thực tế, việc tính toán điện cảm cuộn dây theo các đại lượng này nói chung là không thể. Thường thì người ta xác định điện cảm theo phép đo trị hiệu dụng dòng và áp xoay chiều tần số f trên cuộn dây. U L . (2-11) 2 f .I Cũng như đối với các phần tử cảm biến điện dung, nguyên lý chung đối với các phần tử cảm biến điện cảm là làm thay đổi một trong những đại lượng xác định điện cảm của cuộn cảm , có thể biến thiên các thành phần N,r , A và l để dùng làm biến cảm. Trên cơ sở đó có thể có những phương án hiện thực hoá phần tử biến cảm như trong hình 2.27. Có thể biến thiên số vòng dây N bằng cách dùng kết cấu con trượt (hình 2.27a). Tuy nhiên, khó có thể làm thay đổi kích thước hình học của từng vòng dây riêng lẻ. Cách khác, nếu chia cuộn dây thành hai nửa và làm thay đổi khoảng không giữa chúng (hình 2.27b), thì sự ghép từ tính sẽ thay đổi và làm thay đổi điện cảm toàn phần. Đối với cuộn cảm có lõi sắt thì sự dịch chuyển của lõi sắt-từ trong lòng cuộn dây làm thay đổi độ từ thẩm (kiểur phần ứng dọc, hình 2.27c – nguyên lý và kết cấu). Kiểu khác – kiểu phần ứng ngang, thì một bản cực điện dẫn được đưa lại gần cuộn dây, hoặc ở thân bọc điện dẫn đặt trên cuộn dây, khi đó trong phiến điện dẫn sẽ cảm ứng dòng xoáy Foucoult. Điện trường tạo bởi dòng Foucoult ấy tương tác với từ trường cuộn dây làm thay đổi điện cảm (hình 2.27d – nguyên lý và kết cấu)
  56. - 55 - Hình 2.27 Nguyên lý biến cảm theo phương án biến thiên: a). số vòng dây N b). bố trí hình học c). độ từ thẩm (lõi sắt từ – kiểu phần ứng dọc) d). tổn hao dòng xoáy (phiến điện dẫn – kiểu phần ứng ngang). Phần tử biến cảm có lõi sắt-từ bên trong cuộn dây n vòng. Chuyển dịch lõi sắt-từ sẽ làm thay đổi điện cảm của phần tử (hình 2.28a). Điện cảm của phần tử cảm biến phụ thuộc vào số vòng dây n, độ từ thẩm  và kích thước hình học của phần tử. L f (n, , A,l) (2-12) Hình 2.28 Nguyên lý cấu tạo phần tử biến cảm. a). Cấu trúc lõi trượt (phần ứng dọc trục); b). Cấu trúc phần ứng ngang theo nguyên lý thay đổi từ thông. Cấu trúc phần tử biến cảm như vậy được gọi là phần tử lõi trượt (phần tử cảm biến điện cảm có phần ứng dọc). Dạng biến cảm khác là theo nguyên lý thay đổi từ thông (phần ứng ngang). Ở đây có một phiến điện dẫn nằm cách cuộn cảm một khoảng l . Khi cung cấp cho cuộn cảm một điện áp xoay chiều, sẽ tạo ra từ trường xuyên qua phiến điện dẫn. Khi đó bên trong phiến sẽ có dòng xoáy Foucaut, tạo nên một trường đối ngẫu làm tăng một phần điện trường của cuộn cảm hay là làm giảm điện cảm ban đầu của cuộn cảm (hình 2.28b). Như vậy, phần tử cảm biến điện cảm nói chung có hai dạng kết cấu cơ bản: - Cuộn cảm không lõi sắt - Cuộn cảm lõi sắt-từ.
  57. - 56 - Về nguyên lý thì kết cấu biến cảm có lõi sắt-từ làm việc chủ yếu trên cơ sở ghép từ tính, đó là nguyên lý biến áp, với hệ số ghép như là hệ số biến áp. Do đó dạng kết cấu có lõi sắt có hai kiểu cơ bản: - Kiểu phần ứng dọc longitudinal armature - Kiểu phần ứng ngang transverse armature. Ở đây, cũng như trong kỹ thuật điện-từ, bộ phận động gọi là phần ứng. * Sơ đồ đo : Một dạng phần tử biến cảm kiểu phần ứng ngang được thực hiện bằng cách thay đổi độ từ thẩm của khoảng không trong lòng cuộn cảm bằng lõi sắt có ngàm (hình 2.29a). Hình 2.29b giới thiệu sơ đồ nguyên lý phần tử biến cảm vi sai với mạch cầu. Hình 2.29 Phần tử biến cảm kiểu phần ứng ngang: a). kiểu ngàm; b). kiểu vi sai mắc vào mạch cầu. Dạng ứng dụng có lõi sắt-từ mềm di động trong lòng cuộn cảm dây cuốn là phần tử biến cảm phần ứng dọc – một dạng phần tử biến cảm theo nguyên lý biến thế. Cấu trúc thông dụng nhất là cuộn chặn iron-core choke vi sai mắc mạch nửa cầu – phần tử biến cảm ghép hai cuộn dây có lõi sắt-từ di động kiểu vi sai (hình 2.30). Hình 2.30 Phần tử biến cảm vi sai: a). Sơ đồ nối mạch cầu đo; b). Đặc tuyến. Còn trên hình 2.31 là phương án ứng dụng nguyên lý biến áp vi sai :
  58. - 57 - Hình 2.31 Nguyên lý biến áp vi sai: a). Kết cấu; b). Kiểu lõi dọc; c). Kiểu lõi dọc mắc mạch cầu đo; d). Kiểu lõi ngang. Đối với sơ đồ hình 2.31b thì điện áp đầu ra của mạch U ra sẽ bằng: U ra K.U1. l (2-13) Trong đó: K – hằng số ghép (hệ số biến áp) U1 – điện áp cuộn sơ cấp (trị hiệu dụng) l – chuyển vị của lõi sắt-từ khỏi vị trí đối xứng Ở sơ đồ mạch cầu hình 2.31c, thì điện áp đầu ra (điện áp đường chéo cầu) sẽ bằng 1 U K.U . l . (2-14) ra 2 1 Như vậy, nếu dịch chuyển lõi sắt-từ là như nhau ở cả hai sơ đồ, thì sơ đồ hình 2.31b sẽ cho điện áp đầu ra lớn hơn. 2.2.3. Xác định vị trí khoảng cách bằng cảm biến điện dung (Capacitance Transducers ) * Nguyên lý : Phần tử biến dung gồm hai bản cực dẫn điện cách ly nhau nhưng có thể chuyển dịch so với nhau. Hai bản cực đặt song song, nên có thể tính điện dung của phần tử biến dung bằng : A C  r 0 . (2-15) l0 Trong đó : C – điện dung phần tử, tính bằng [F];  r – hằng số điện môi tương đối; 12  0 – hằng số điện môi không khí,  0 = 8,8854184.10 [F/m]; A – diện tích bản cực, [m 2 ]; l0 – khoảng cách giữa hai bản cực, tính bằng [m].
  59. - 58 - Mối quan hệ rõ ràng giữa các đại lượng kích thước và điện dung tạo cơ sở chế xuất phần tử biến dung có khả năng lượng giá tín hiệu đo theo khoảng cách (hình 2.32) Hình 2.32 Nguyên lý phần tử biến dung đo khoảng cách Ở trạng thái ban đầu thì: A C0  r . 0 . . (2-16) l0 Khi tăng khoảng cách giữa hai điện cực (l1 l0 l ) thì: A C1  r . 0 . . (2-17) l1 Biểu thức cơ sở của phần tử biến dung đo khoảng cách sẽ là: C 1 1 . (2-18) C l 0 1 l0 Đối với những chuyển dịch nhỏ l so với khoảng cách l0 thì tỷ số biến động l 1 khoảng cách có thể coi là khá nhỏ (l ) và như vậy: C l 0 1 1 . (2-19) C0 l0 Đặc tuyến phần tử cũng có thể coi gần đúng là tuyến tính trong một phạm vi nhất định. Các phần tử cảm biến điện dung ứng dụng sự thay đổi điện dung theo biến động của một trong những đại lượng sau : Hình 2.33 trình bày sơ đồ nguyên lý các phương án biến dung đó. Hình 2.33a – phần tử biến dung do thay đổi khoảng cách giữa các bản cực một lượng bằng d ; hình 2.33b – do thay đổi diện tích đối ứng của các bản cực (bởi chuyển dịch l ); hình 2.33c – do thay đổi tính chất điện môi (bởi tương tác điện môi không gian  r và  0 giữa các bản cực với xê dịch l ) Hình 2.33 Nguyên lý cấu trúc cơ bản của các phần tử biến dung
  60. - 59 - * Sơ đồ đo : Sự thay đổi khoảng cách bản cực, diện tích bề mặt bản cực hay chất điện môi làm thay đổi điện dung và sẽ được lượng giá bằng sơ đồ mạch cầu (hình 2.34). Ở đây các phần tử cảm biến điện dung kiểu biến dung vi sai, mà mỗi nửa như một tụ điện. Các tụ điện C0 mắc song song là để khắc phục ảnh hưởng ký sinh và tán xạ. Hình 2.34 Sơ đồ mạch cầu với phần tử biến dung Trường hợp đơn giản nhất thì phần tử cảm biến điện dung là tụ biến dung C1 , còn C2 là một tụ cố định. Nửa cầu kia là các biến trở chiết áp, cũng có thể thay bằng các tụ điện. Các biến trở trong sơ đồ hình 2.34 thường được chọn trị số bằng nhau. Có thể dùng mạch cầu theo nguyên lý cầu cân bằng (cân bằng cầu cho điện áp đường chéo cầu uD = 0 [V]), hay theo nguyên lý cầu lệch. Phương pháp cầu lệch dựa trên mối quan hệ giữa điện áp đường chéo cầu với sự thay đổi điện dung của phần tử cảm biến. Điện áp cung cấp là điện xoay chiều có tần số trong khoảng 50 [Hz] đến 10 [kHz], cho nên điện áp uD là điện áp xoay chiều. Nó sẽ được khuyếch đại lên và chỉnh lưu bằng một bộ chỉnh lưu nhạy pha để chỉ thị hay điều khiển. Việc sử dụng bộ chỉnh lưu nhạy pha ở cầu xoay chiều là để nhân biết sự đổi dấu tín hiệu ở lân cận điểm cân bằng. Bằng cách đó, việc lượng giá điện áp đường chéo cầu ở trạng thái lân cận điểm cân bằng sẽ được thực hiện không chỉ về độ lớn sai lệch mà còn cả theo xu hướng tiệm cận. Hình 2.35 vẽ sơ đồ nguyên lý mạch cầu biến dung. Khi mạch đo điện áp đường chéo cầu U D có nội trở đủ lớn thì ta có: U 0 C1 C2 U D . (2-20) 2 C1 C2 Hình 2.35 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu biến dung
  61. - 60 - Hình 2.36 Sơ đồ mạch cầu dùng cho phần tử cảm biến điện dung vi sai Sơ đồ hình 2.36 dùng cho phần tử cảm biến điện dung vi sai. Ở đây kết hợp cả hai tụ điện C1 và C2 trong hình 2.35 trong một phần tử vi sai, có các tụ điện phụ C0 nhằm khắc phục điện dung ký sinh và tán xạ. Tương quan giữa sự chuyển dịch của bản cực giữa và điện áp đường chéo cầu là không tuyến tính. Tuy nhiên, ở lân cận điểm cân bằng thì có thể tuyến tính hoá gần đúng, ta có: U l U 0 1 .U ; (2-21) D 2 l 0 ở đây : l – khoảng cách các bản cực tụ biến dung. Không chỉ thay đổi khoảng cách bản cực tụ biến dung, mà còn có thể thay đổi diện tích đối ứng của các bản cực. Việc này có thể thực hiện bằng cách tách một bản cực thành hai tụ điện hình trụ (hình 2.37) Hình 2.37 Sơ đồ cầu lệch với phần tử biến dung vi sai thay đổi diện tích bản cực. Tương tự như vậy đối với phương án thay đổi tính chất điện môi (hình 2.38). Ở đây lõi di động giữa các bản cực tụ điện sẽ làm thay đổi tính chất điện môi. Hình 2.38 Sơ đồ cầu lệch với phần tử biến dung vi sai thay đổi tính chất điện môi. 2.2.4 Cảm biến từ
  62. - 61 - * Cấu tạo : Cảm biến điện từ có cấu tạo là một khung dây hở như hình 2.39 Hình 2.39 Cấu tạo cảm biến từ Mục tiêu là một phần của đối tượng cần đo dịch chuyển với khoảng cách nhỏ, khi mục tiêu di chuyển làm cho khe hở không khí δ thay đổi làm cho từ trở của mạch từ thay đổi làm cho điện cảm của cuộn dây thay đổi. Nếu bỏ qua điện trở của dây dẫn và bỏ qua từ trở của lõi sắt từ thì điện cảm của cuộn dây : 2 1 L W 0s l f l0 (2-22)  f Trong đó : l0 và lf - chiều dài trung bình của đường sức từ trong lõi sắt từ và trong không khí, l0 = 2δ = Δx 7 0 - là độ từ thẩm của không khí 0 4 .10 3 4  f - là độ từ thẩm của lõi sắt từ  f 10 10 s - là tiết diện của khe hở không khí W - là số vòng dây * Mạch đo : Mạch đo là một mạch cầu xoay chiều hình 2.40 * Mạch xử lý tín hiệu đo : Mạch xử lý tín hiệu đo là một khối rời có cơ cấu chỉ thị và cho phép cài đặt dạng tín hiệu ngõ ra là tuyến tính hay là tín hiệu điều khiển như hình 2.41 Hình 2.40 Mạch đo dùng cảm biến từ
  63. - 62 - Hình 2.41 Cảm biến từ và bộ xử lý tín hiệu 2.2.5 Cảm biến phân loại màu Khi ánh sáng đập vào bề mặt một vật thì một phần ánh sáng bị phản xạ, một phần bị bề mặt hấp thụ hoặc truyền dẫn vào vật. Tỷ lệ các bước sóng phản xạ phụ thuộc vào góc tới, đặc tính lý hóa của bề mặt và sự phân cực ánh sáng. Do vậy phân bố phổ ánh sáng phản xạ cho ta thông tin về đặc tính lý hóa của bề mặt. Có nhiều kỹ thuật khác nhau khai thác thông tin của tín hiệu ánh sáng phản xạ : - Kỹ thuật phân tích phổ : dùng máy phân tích phổ để đánh giá tính chất của bề mặt chiếu sáng - Kỹ thuật phổ ảnh : quan tâm đến đặc tính hóa học của từng miền ánh sáng xuyên qua - Kỹ thuật nhận dạng hình ảnh tĩnh : sử dụng ba màu R (Red) – màu đỏ, bước sóng 700nm; G (Green) – xanh lá cây, bước sóng 546nm; B (Blue) – xanh da trời, bước sóng 436nm phối hợp với nhau tạo nên 7 màu - Sắc ký : là lĩnh vực liên quan đến nhận dạng hoặc tạo màu của vật * Nguyên lý : kính FAO (đỏ, xanh lá Thấu kính qua, xanh thu Vật kính FAO dương phản (đỏ qua, xanh xạ) lá phản xạ) LED đỏ LED Thấu xanh lá kính phát LED Monitor xanh dương photodiode Hình 2.42 Cấu tạo cảm biến phân loại màu
  64. - 63 - Cảm biến màu phát các ánh sáng đỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B) tới vật cảm biến, sau đó nhận ánh sáng phản xạ về, phân tích tỉ lệ các ánh sáng R, G, B để phân biệt màu của vật. Hình 2.43 Biến đổi tín hiệu ra của cảm biến phân loại màu thành số 2.3 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm Mục tiêu : - Thực hiện được mạch cảm biến điện cảm đạt các yêu cầu về kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong quá trình học tập 2.3.1 Thiết bị + Cảm biến tiệm cận điện cảm IW-2008-BRKG/IW5039 + Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 2.3.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 2.3.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 2.3.4 Các bước thực hành Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ ra của cảm biến mà có thể đấu nối theo dạng NPN hoặc PNP. Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến bằng kim loại có kích thước khác
  65. - 64 - nhau hoặc có độ từ tính khác nhau đi qua cảm biến để xét xem với các vật cảm biến khác nhau thì khoảng cách phát hiện sẽ thay đổi như thế nào ? 2.3.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét : 2.4 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung Mục tiêu : - Thực hiện được mạch cảm biến điện dung đạt các yêu cầu về kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong quá trình học tập 2.4.1 Thiết bị : + Cảm biến tiệm cận điện dung KIE3015-FPKG + Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 2.4.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 2.4.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 2.4.4 Các bước thực hành Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ ra của cảm biến mà có thể đấu nối theo dạng NPN hoặc PNP. Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến bằng phi kim (như giấy, gỗ, nhựa, ) hoặc kim loại(có kích thước khác nhau hoặc có độ từ tính khác nhau) đi qua cảm biến để xét xem với các vật cảm biến khác nhau thì khoảng cách phát hiện sẽ thay đổi như thế nào ?
  66. - 65 - 2.4.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét : 2.5 Thực hành với cảm biến từ Mục tiêu : - Thực hiện được mạch cảm biến từ đạt các yêu cầu về kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong quá trình học tập 2.5.1 Thiết bị : + Cảm biến từ GLS + Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 2.5.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 2.5.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 2.5.4 Các bước thực hành Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến khác nhau đi qua cảm biến để xét xem với các vật cảm biến khác nhau thì khoảng cách phát hiện sẽ thay đổi như thế nào ? 2.5.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét :
  67. - 66 - 2.6 Thực hành với cảm phân loại màu Mục tiêu : - Thực hiện được mạch cảm biến phân loại màu đạt các yêu cầu về kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, chủ động trong quá trình học tập 2.6.1 Thiết bị : + Cảm biến phân loại màu F150 – 3 + Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 2.6.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 2.6.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 2.6.4 Các bước thực hành Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến có màu sắc khác nhau(đỏ, xanh lá, xanh dương) đi qua cảm biến để xét xem với các vật cảm biến khác nhau thì các tác động ở ngõ ra của cảm biến sẽ như thế nào ? 2.6.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét : YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 2 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến tiệm cận và các loại cảm biến xác định vị trí khoảng cách
  68. - 67 - + Về kỹ năng: lắp ráp đúng yêu cầu kỹ thuật các mạch điện với ngõ ra yêu cầu và lập bảng thống kê các thông số của các loại cảm biến + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phươngpháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành lắp ráp mạch điện, bảng liệt kê các thông số của cẩm biến + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp trong công việc.
  69. - 68 - BÀI 3 PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG Mã bài: MĐ21-03 GIỚI THIỆU Cảm biến đo lưu lượng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực đo đạc chất lỏng, chất khí, dùng trong các môi trường có tính chất lý hoá cao, độc hại, ngoài ra nó còn làm nhiệm vụ giám sát và điều khiển tự động trong quá trình sản xuất. MỤC TIÊU - Trình bày được các phương pháp đo lưu lượng theo nội dung đã học - Trình bày được các nguyên tắc cơ bản trong phương pháp đo lưu lượng theo nội dung đã học - Thực hiện đo lưu lượng theo các phương pháp đã học đúng yêu cầu về kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp 3.1. Đại cương Mục tiêu : - Trình bày được khái niệm về đo lưu lượng, các đặc trưng của lưu chất và trạng thái dòng chảy Các cảm biến đo lưu lượng được sử dụng để đo cả chất lỏng và chất khí trong nhiều ứng dụng giám sát và điều khiển, với chất lỏng, khối lượng riêng có thể coi là hằng số nên việc đo lưu lượng nhìn chung dễ thực hiện hơn. Một số kỹ thuật hoạt động với cả chất lỏng và chất khí, một số chỉ hoạt động với dạng lưu chất xác định. Việc đo lưu lượng thường bắt đầu bằng việc đo tốc độ dòng chảy. * Khái niệm chung về đo lưu lượng : Một trong các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các chất chảy qua ống dẫn, muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ cần phải đo chính xác thể tích và lưu lượng các chất. Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất lý hoá và các yêu cầu công nghệ do đó ta có nhiều phương pháp đo dựa trên những nguyên lý khác nhau, số lượng vật chất được xác định bằng khối lượng và thể tích của nó tương ứng với các đơn vị đo (kg, tấn) hay đơn vị đo thể tích (m 3, lít), lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. - Lưu lượng thể tích : Q (m3/s; m3/giờ vv.) - Lưu lượng khối : G (kg/s; kg/giờ; tấn/giờ vv. Cần phải phân biệt sự khác nhau giữa lưu lượng tức thời và lưu lượng trung
  70. - 69 - bình : - Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian t t2 t1 được xác định theo biểu thức : V m Q (3-1) hoặc G (3-2) tb t tb t Trong đó : V , m - là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thời gian khảo sát - Lưu lượng tức thời được xác định theo công thức : dV dm Q (3-3) hoặc Q (3-4) dt dt Đối với chất khí, để kết quả đo không phụ thuộc vào điều kiện áp suất, nhiệt độ, ta quy đổi về điều kiện chuẩn (nhiệt độ 2000C, áp suất 760 mm thuỷ ngân). * Đặc trưng của lưu chất : Mỗi lưu chất được đặc trưng bởi những yếu tố sau : - Khối lượng riêng : là khối lượng của 1 đơn vị thể tích lưu chất m ,(kg/m3) (3-5) V Trong đó m là khối lượng của lưu chất, V là thể tích của khối lưu chất - Hệ số nhớt động lực và hệ số nhớt động học : Tính nhớt: là tính chống lại sự dịch chuyển, nó biểu hiện sức dính phân tử hay khả năng lưu động của lưu chất, đây là một tính chất quan trọng của lưu chất vì nó là nguyên nhân cơ bản gây ra sự tổn thất năng lượng khi lưu chất chuyển động, giữa chúng có sự chuyển động tương đối, nảy sinh ma sát tạo nên sự biến đổi một phần cơ năng thành nhiệt năng và mất đi, tính nhớt được đặc trưng bởi tính nhớt động lực, hệ số này phụ thuộc vào từng loại lưu chất. Có nhiều cách để đo độ nhớt, cách thức đơn giản thường được các phòng thí nghiệm ở các trường đại học sử dụng để chứng minh sự tồn tại độ nhớt và xác định giá trị là: Cho một quả càu rơi trong chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực, đo khoảng cách (d) và thời gian (t) quả cầu rơi, tính vận tốc u. Hệ số nhớt động lực sẽ tính theo phương trình sau : 2 p.g.r 2  (3-6) 9u Trong đó :  - hệ số nhớt động lực (Pa.s) (1 Pa.s = 1 N.s/m 2 = 103 cP (centiPoise) = 10 P (Poise)) g - là gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2 r - là bán kính quả cầu (m)
  71. - 70 - u - là vận tốc rơi của quả cầu: u = d/t (m/s) Để nhấn mạnh mối quan hệ giữa tính nhớt và khối lượng riêng của lưu chất người ta đưa ra hệ số nhớt động học :   (3-7) Trong đó :  - hệ số nhớt động học (stoke) (1 stoke = 10-4 m2/s)  - hệ số nhớt động lực (Pa.s) - khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3) - Trị số Reynold (Re) : Tất cả các yếu tố đã kể trên đều có ảnh hưởng đến dòng chảy của lưu chất trong ống dẫn, người ta kết hợp chúng với nhau tạo ra 1 đại lượng duy nhất thể hiện đặc trưng của lưu chất là số Reynolds thường được kí hiệu là Re và được tính theo công thức : ul ul Re (3-8)   Trong đó : ρ - là khối lượng riêng của chất lưu (kg/m3) u - là vận tốc đặc trưng của dòng chảy (m/s) l - là quy mô tuyến tính (độ dài) đặc trưng của dòng chảy (m) μ - là độ nhớt động lực học của môi trường (Pa.s) ν - là độ nhớt động học của môi trường (stoke) * Trạng thái dòng chảy : Nếu bỏ đi ảnh hưởng của độ nhớt và sự ma sát với thành ống dẫn thì vận tốc dòng chảy sẽ như nhau ở mọi vị trí trên mặt cắt ngang của ống dẫn (hình 3.1) Tuy nhiên đó chỉ là trường hơp lý tưởng, trong thực tế độ nhớt ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy, cùng với sự ma sát của ống dẫn làm giảm vận tốc của lưu chất ở vị trí gần thành ống (hình 3.2) Hình 3.1 Vận tốc dòng chảy Hình 3.2 Vận tốc dòng chảy với (trường hợp lý tưởng) ảnh hưởng của tính nhớt và lực ma sát
  72. - 71 - Hình 3.3 Vận tốc dòng chảy với Hình 3.4 Vận tốc dòng chảy với Re 2300 Re 2300 Với trị số Reynold nhỏ (Re 2300 ), chất chuyển động thành lớp (chảy tầng). Tất cả các chuyển động xuất hiện theo dọc trục củaống dẫn, dưới ảnh hưởng của tính nhớt và lực ma sát với thành ống dẫn, tốc độ lưu chất lớn nhất ở vị trí trung tâm ống dẫn (hình 3.3). Khi tốc độ tăng và trị số Reynold vượt quá 2.300, dòng chảy tăng dần hỗn loạn với càng lúc càng nhiều các dòng xoáy (trạng thái quá độ) (hình 3.4). Với Re từ 10.000 trở lên, dòng chảy hoàn toàn hỗn loạn (trạng thái chảy rối). Các khí (ở trạng thái bão hoà) và hầu hết các chất lỏng thường được vận chuyển bằng ống dẫn ở trạng thái dòng chảy rối. 3.2. Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất Mục tiêu : - Trình bày được phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất Để dùng cảm biến áp suất đo lưu lượng ,người ta đo sự chênh lệch áp suất (hiệu áp) giữa 2 vị trí ống có tiết diện dòng chảy khác nhau, các lưu lượng kế đo dựa trên hiệu áp (differential pressure flowmeter) được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là dùng với các chất lỏng, các thiết bị này cũng như hầu hết các lưu lượng kế khác gồm 2 thành phần cơ bản : - Thành phần 1: Là nguyên nhân gây lên sự thay đổi trong năng lượng động học, tạo nên sự thay đổi áp suất trong ống, thành phần này phải phù hợp với kích thước của đường ống, điều kiện dòng chảy, tính chất của lưu chất - Thành phần 2: Đo sự chênh lệch áp và tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành giá trị lưu lượng * Định nghĩa áp suất : là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích p = F/S (3-9) Trong đó : p – áp suất F – lực tác dụng (N) S – diện tích chịu tác dụng ( m2) Đơn vị áp suất : Pascal (Pa) (1 Pa = 1 N/m2 ) Ngoài ra còn sử dụng các đơn vị khác : bar , at , mmHg , .
  73. - 72 - * Bộ phận tạo nên sự chênh lệch áp suất : Dù hiện nay đã có nhiều phương pháp đo lưu lượng được phát triển, song phương pháp đo lưu lượng bằng ống co vẫn được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và các lĩnh vực khác, ống co dùng để tạo sự chênh lệch áp suất giữa vị trí ống chưa co và ống đã co, nên ống co phải dùng các linh kiện cơ học rất bền bỉ, cấu trúc đơn giản và không có các phần tử di động để chịu được những điều kiện vô cùng khắc nghiệt trong công nghiệp. Phương pháp đo sử dụng Pitottube cũng dựa trên sự chênh lệch áp suất nhưng không tạo sự co trực tiếp trên dòng chảy * Ống co Venturi : Nguyên tắc : Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co dựa trên định luật liên tục và phương trình năng lượng của Bernoulli Phương trình liên tục : A1u1 A2u2 hay Au const (3-10) Phương trình Bernoulli : u2 u2 u2 p gh 1 p gh 2 hay p gh const (3-11) 1 1 2 2 2 2 2 u2 u2 Áp dụng cho ống co Venturi : p 1 p 2 (3-12) 1 2 2 2 Trong đó: A1 - là diện tích trước co A2 - là diện tích ở vị trí co u1 - là vận tốc trước vị trí co u2 - là vận tốc ở vị trí co p1 - là áp suất trước vị trí co P2 - là áp suất ở vị trí co ρ - là khối lượng riêng h1 - là độ cao ở vị trí trước co h2 - là độ cao ở vị trí sau co Ở nơi ống có diện tích bị thu nhỏ, vận tốc dòng chảy gia tăng, với phương trình năng lượng của Bernoulli, năng lượng của dòng chảy là tổng năng lượng áp suất tĩnh và động năng (vận tốc) là một hằng số
  74. - 73 - Hình 3.5 Ống Venturi 2 P P P (u2 u2 ) (3-13) 1 2 2 1 2 2 2 2 A2 2 2 u2 (P1 P2 ) u1 (P1 P2 ) ( ) .u2 (3-14) A1 1 Đặt (3-15) gọi là hằng số dòng chảy, 2 1 (A2 A1) 2 ta có : u . .(P P ) (3-16) 2 1 2 Từ đó ta có lưu lượng tính theo thể tích và khối lượng như sau : 2 Q A .u .A . . P P .k . P (3-17) v 2 2 2 1 2 ' Qm A2.u2. .A2. 2 . P1 P2 .k . P (3-18) 2 Trong đó : k A . và k ' A . 2 (3-19) 2 2 Như vậy lưu lượng tỉ lệ với căn bậc 2 của hiệu áp khi khối lượng riêng là hằng số * Oriffice plate : Oriffice plate (hình 3.7) là một trong các cách thức đơn giản nhất và kinh tế nhất để tác động đến dòng chảy, để từ đó có thể tính được lưu lượng. Tấm “Oriffice” được đặt trong dòng chảy quá trình giữa hai mặt bích nằm trên các ống nằm ngang hay thẳng đứng. Dòng chảy sẽ bị giới hạn khi đi qua tấm “Oriffice” có lỗ hở 1,345 inch (bề dày khoảng 1/16 đến 1/4 inch) Thường có 3 loại Oriffice plate đó là Concentric (đồng tâm); Eccentric (lệch tâm); Segmental (hình cung) như hình vẽ 3.6
  75. - 74 - Concentric Eccentric Segmental Hình 3.6 Các dạng ống co Oriffice plate Hình 3.7 Tấm “Oriffice” * Cảm biến áp suất kiểu điện trở áp điện : - Cảm biến áp suất kiểu điện trở :
  76. - 75 - Cảm biến áp suất kiểu điện trở có cấu tạo gồm 1 strain gauge được dán cố định trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng như hình hình 3.8. Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến ở phần áp suất cao, màng phân cách bị biến dạng làm cho Strain gauge bị biến dạng theo. Khi strain gauge bị biến dạng, điện trở của nó sẽ thay đổi. Hình 3.8 Cấu tạo và một số hình dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở Mạch đo : Hình 3.9 Mạch đo dùng cảm biến áp suất kiểu biến trở - Cảm biến áp suất kiểu áp điện : Hình 3.10 Cấu tạo và hình dạng cảm biến áp suất kiểu áp điện Trong cấu tạo của cảm biến, phần tử nhạy cảm chính là các chất áp điện như : các tinh thể thạch anh, Titan, Bari . Khi áp suất của chất lưu tác động lên
  77. - 76 - cảm biến sẽ làm các tinh thể áp điện bị biến dạng (bị nén) thì trên bề mặt của chất áp điện sẽ xuất hiện điện tích Q phụ thuộc vào áp suất nén. Q = K.P (3-20) Với K là hệ số phụ thuộc vào kích thước và bản chất của chất áp điện. 3.3. Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy Mục tiêu : - Trình bày được nguyên tắc hoạt động, các ưu nhược điểm và ứng dụng của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy 3.3.1. Nguyên tắc hoạt động Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất, các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn đi. Hiện tượng này đã được Leonardo da Vinci ghi nhận. Strouhal trong năm 1878 đã cố gắng giải thích lần đầu tiên, ông nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự rung động như một dây đàn, sự dao động này tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với đường kính sợi dây. Theo dor von Karman đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động này : Đó là sự sinh ra và biến mất của các dòng xoáy bên cạnh vật cản, một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một vật được đặt trong một dòng chảy. Các dòng xoáy này rời bỏ vật cản tuần tự và trôi theo dòng chảy, phía sau vật cản hình thành con đường của dòng xoáy được đặt tên là con đường xoáy Karman. Các dòng xoáy ở 2 bên của vật cản có chiều xoáy ngược nhau, tần số sự biến mất (và cả sự xuất hiện) là hiệu ứng dùng để đo lưu lượng bằng thể tích. Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước hình học vật cản (đường kính vật cản D), vận tốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f, sự liên hệ này được diễn tả với trị số Strouhal : St (Trị số Strouhal là hàm của trị số Reynold ) f .D St (3-21) v Khi hằng số Strouhal không phụ thuộc vào trị số Reynold ta có thể tính lưu lượng thể tích trên đơn vị thời gian theo công thức sau : .A. f Q (3-22) S * Nguyên tắc tần số dòng xoáy : Cảm biến độ xoáy sử dụng một đặc tính khác của chất lỏng để xác định lưu lượng. Khi một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng đặt
  78. - 77 - vuông góc với dòng chảy sẽ tạo ra các vùng xoáy. Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng. Với sự biến mất và xuất hiện của dòng xoáy, vận tốc của dòng chảy ở 2 bên của vật cản và trên đường dòng xoáy thay đổi một cách cục bộ. Tần số dao động của vận tốc có thể đo với những phương pháp khác nhau. Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần : - Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy thuộc vào hình dáng thân - Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các xung điện - Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gởi tín hiệu đã được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển Hình 3.11 Kiểu dòng chảy tiêu biểu trong đường ống có gắn các phần tử của cảm biến độ xoáy Hình 3.12 Cảm biến độ xoáy kiểu Vortex đặc trưng 3.3.2. Các ưu, nhược điểm của phương pháp đo lưu lượng dùng nguyên tắc tần số dòng xoáy
  79. - 78 - * Các ưu điểm: - Rất kinh tế và có độ tin cậy cao. - Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay hư hỏng nhẹ của vật cản, đường biểu diễn của nó tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng. - Sai số phép đo rất bé. - Khoảng đo lưu lượng tính bằng thể tích từ 3% đến 100% thang đo. - Phép đo dòng xoáy là độc lập với các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy, sau một lần chuẩn định, không cần chuẩn định lại với từng loại lưu chất. - Các phép đo lưu lượng bằng dòng xoáy không có bộ phận cơ học chuyển động và sự đòi hỏi về cấu trúc khá đơn giản. - Lưu chất không cần có tính chất dẫn điện như trong phép đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ. - Không gây cản trở dòng chảy nhiều. * Các nhược điểm: - Với vận tốc dòng chảy quá thấp, dòng xoáy có thể không được tạo ra và như vậy lưu lượng kế sẽ chỉ ở mức 0. - Các rung động có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo. - Việc lắp đặt nếu tạo ra các điểm nhô ra (như các vị trí hàn vv) có thể ảnh hưởng tới dạng của dòng xoáy, ảnh hưởng tới độ chính xác. - Tốc độ lớn nhất cho phép của dòng chảy theo chỉ dẫn thường ở mức 80 đến 100m/s. Nếu lưu chất đo ở dạng khí hoặc hơi mà vận tốc lớn hơn sẽ gặp nhiều vấn đề khó khăn đặc biệt là với các chất khí ẩm ướt và bẩn. - Đòi hỏi phải có một đoạn ống thẳng, dài ở trước vị trí đo. 3.3.3. Một số ứng dụng của cảm biến đo lưu lượng dùng nguyên tắc tần số dòng xoáy Ứng dụng chính của lưu lượng kế kiểu Vortex là đo lưu lượng (được trình bày trong phần 3.3.4), ngoài ra còn có các ứng dụng khác như : chống thẩm thấu, làm mát nước, hệ thống nước thải, hệ thống lọc hơi đốt, và có thể dùng trong phân phối chất hóa học 3.4. Thực hành với cảm biến đo lưu lượng Mục tiêu : - Thực hiện đo lưu lượng theo nguyên tắc tần số dòng xoáy đúng yêu cầu về kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp Thực hành với cảm biến đo lưu lượng (nguyên tắc tần số dòng xoáy) của hãng KROHNE Messtechnik GmbH 3.4.1. Ghi nhận các thông số của cảm biến
  80. - 79 - * Mục đích : Ghi nhận các thông số của cảm biến OPTISWIRL 4070 C * Thiết bị : cảm biến OPTISWIRL 4070 C(sử dụng để đo lưu lượng của khí, hơi nước và chất lỏng) - Đo lưu lượng với giới hạn vận tốc : + Tốc độ 0,3m đến 9m/s cho chất lỏng + Tốc độ 3m đến 80m/s cho khí và hơi nước - Đo lưu lượng nước: 3 + Qmin = 0,36m /h 3 + Qmax = 5,7m /h Tài liệu Quich Start Manual kèm theo thiết bị cảm biến * Thực hiện : - Ghi các thông số kỹ thuật : Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Dạng cảm biến: Đường kính danh định của cảm biến: Điện áp hoạt động: Dòng điện: - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến : - Những ghi chú khi thực hành :
  81. - 80 - 3.4.2. Thiết lập các thông số cho cảm biến * Yêu cầu: Thực hiện được các thiết lập khác nhau cho cảm biến OPTISWIRL 4070C * Thiết bị: Cảm biến OPTISWIRL 4070C * Khảo sát chức năng các phím : 1 và 5 : Phím Enter 3 và 4 : Phím lên; 2 và 6 : Phím phải 7 : Màn hình hiển thị (Các phím 1, 2, 3 tác động bằng thanh nam châm) * Cấu trúc menu : Chuyển từ chế độ Measuring mode đến chế độ Main menu. Di chuyển giữa các cấp menu (theo chiều xuống). Mở 1 mục menu. Ở chế độ Measuring mode: di chuyển từ giá trị và thông báo lỗi. Di chuyển giữa các mục menu trong một cấp menu. Khi thiết lập các thông số cài đặt : Thay đổi giá trị, di chuyển giữa các ký tự, di chuyển dấu chấm về bên phải (dấu thập phân) .
  82. - 81 - Di chuyển giữa các cấp menu (theo chiều lên). Khi thiết lập các thông số cài đặt : Quay trở lại chế độ Measuring mode . * Thực hiện các thiết lập sau: - Chọn ngôn ngữ: English (cấp menu 1.1.1) - Tên khu vực đặt cảm biến (cấp menu 1.1.2) - Chọn dạng đơn vị đo lưu lượng thể tích (Volume measurement) (cấp menu 1.1.3) - Đơn vị đo: m3/h (cấp menu 1.1.4) - Giá trị lưu lượng đo lớn nhất: 5,7m3/h (cấp menu 1.1.1) - Trình bày giá trị đo với đơn vị đo tuyệt đối (m 3/h) hay tương đối (%) : chọn m3/h (cấp menu 1.1.1). - Giá trị lưu lượng nhỏ nhất: 0,36m3/h (cấp menu 1.1.5) - Thiết lập các thông số loại lưu chất cảm biến phải đo là chất lỏng (cấp menu 3.4.1) * Các bước tiến hành đo lưu lượng nước với cảm biến OPTISWIRL 4070 C : - Yêu cầu : Thực hiện lắp đặt cảm biến OPTISWIRL 4070 C đúng các tiêu chuẩn kỹ thuật. - Thiết bị : Cảm biến OPTISWIRL 4070 C , hệ thống dẫn nước, hệ thống dẫn nước có đường kính trong bằng 0,62 mm, máy bơm, van các thiết bị cần thiết khác. - Thực hiện : Lắp đặt cảm biến OPTISWIRL 4070 C vào đường ống dẫn nước. Kích thước chi tiết của cảm biến (Flange version ASME B16.5) DN (đường d D L l a b c kính danh H (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) định) 1/2 0,62 3,54 7,87 5,67 10,43 133 105 179 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 3 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được các phương pháp và các nguyên tắc cơ bản trong đo lưu lượng + Về kỹ năng: lắp ráp mạch cảm biến đo lưu lượng đúng yêu cầu kỹ thuật,lập bảng ghi nhận kết quả + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp.