(NB) Giáo trình Kỹ thuật cảm biến cung cấp cho người học những kiến thức như: Cảm biến nhiệt độ; Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác; Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác; Đo vận tốc vòng quay và góc quay; Cảm biến quang điện;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 dưới đây.
Bài Cảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Mục tiêu - Trình bày phương pháp đo lưu lượng theo nội dung học - Trình bày nguyên tắc phương pháp đo lưu lượng theo nội dung học - Thực đo lưu lượng theo phương pháp học yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh cơng nghiệp 3.1 Đại cương Các cảm biến đo lưu lượng sử dụng để đo chất lỏng chất khí nhiều ứng dụng giám sát điều khiển, với chất lỏng, khối lượng riêng coi số nên việc đo lưu lượng nhìn chung dễ thực Một số kỹ thuật hoạt động với chất lỏng chất khí, số hoạt động với dạng lưu chất xác định Việc đo lưu lượng thường bắt đầu việc đo tốc độ dòng chảy * Khái niệm chung đo lưu lượng : Một tham số quan trọng q trình cơng nghệ lưu lượng chất chảy qua ống dẫn, muốn nâng cao chất lượng sản phẩm hiệu hệ thống điều khiển tự động q trình cơng nghệ cần phải đo xác thể tích lưu lượng chất Môi trường đo khác đặc trưng tính chất lý hố u cầu cơng nghệ ta có nhiều phương pháp đo dựa nguyên lý khác nhau, số lượng vật chất xác định khối lượng thể tích tương ứng với đơn vị đo (kg, tấn) hay đơn vị đo thể tích (m , lít), lưu lượng vật chất số lượng chất chảy qua tiết diện ngang ống dẫn 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 khác lưu lượng tức thời lưu lượng trung bình : - Lưu lượng trung bình khoảng thời gian t t2 t1 xác định theo biểu thức : Qtb V t (3-1) Gtb m t (3-2) 70 Trong : V , m - thể tích khối lượng chất lưu chảy qua ống thời gian khảo sát - Lưu lượng tức thời xác định theo công thức : Q dV dt (3-3) Q dm dt (3-4) Đối với chất khí, để kết đo khơng phụ thuộc vào điều kiện áp suất, nhiệt độ, ta quy đổi điều kiện chuẩn (nhiệt độ 200 C, áp suất 760 mm thuỷ ngân) * Đặc trưng lưu chất : Mỗi lưu chất đặc trưng yếu tố sau : - Khối lượng riêng : khối lượng đơn vị thể tích lưu chất m ,(kg/m3) V (3-5) Trong m khối lượng lưu chất, V thể tích khối lưu chất - Hệ số nhớt động lực hệ số nhớt động học : Tính nhớt: tính chống lại dịch chuyển, biểu sức dính phân tử hay khả lưu động lưu chất, tính chất quan trọng lưu chất nguyên nhân gây tổn thất lượng lưu chất chuyển động, chúng có chuyển động tương đối, nảy sinh ma sát tạo nên biến đổi phần thành nhiệt đi, tính nhớt đặc trưng tính nhớt động lực, hệ số phụ thuộc vào loại lưu chất Có nhiều cách để đo độ nhớt, cách thức đơn giản thường phịng thí nghiệm trường đại học sử dụng để chứng minh tồn độ nhớt xác định giá trị là: Cho càu rơi chất lỏng tác dụng trọng lực, đo khoảng cách (d) thời gian (t) cầu rơi, tính vận tốc u Hệ số nhớt động lực tính theo phương trình sau : 2p.g.r 9u (3-6) Trong : - hệ số nhớt động lực (Pa.s) (1 Pa.s = N.s/m2 = 103 cP (centiPoise) = 10 P (Poise)) g - gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2 r - bán kính cầu (m) u - vận tốc rơi cầu: u = d/t (m/s) 71 Để nhấn mạnh mối quan hệ tính nhớt khối lượng riêng lưu chất người ta đưa hệ số nhớt động học : (3-7) Trong : - hệ số nhớt động học (stoke) (1 stoke = 10 -4 m2/s) - hệ số nhớt động lực (Pa.s) - khối lượng riêng lưu chất (kg/m3) - Trị số Reynold (Re) : Tất yếu tố kể có ảnh hưởng đến dịng chảy lưu chất ống dẫn, người ta kết hợp chúng với tạo đại lượng thể đặc trưng lưu chất số Reynolds thường kí hiệu Re tính theo cơng thức : Re ul ul (3-8) Trong : ρ - khối lượng riêng chất lưu (kg/m3) u - vận tốc đặc trưng dịng chảy (m/s) l - quy mơ tuyến tính (độ dài) đặc trưng dòng chảy (m) μ - độ nhớt động lực học môi trường (Pa.s) ν - độ nhớt động học môi trường (stoke) * Trạng thái dòng chảy : Nếu bỏ ảnh hưởng độ nhớt ma sát với thành ống dẫn vận tốc dịng chảy vị trí mặt cắt ngang ống dẫn (hình 3.1) Tuy nhiên trường hơp lý tưởng, thực tế độ nhớt ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy, với ma sát ống dẫn làm giảm vận tốc lưu chất vị trí gần thành ống (hình 3.2) Hình 3.1 Vận tốc dịng chảy (trường hợp lý tưởng) Hình 3.2 Vận tốc dịng chảy với ảnh hưởng tính nhớt lực ma sát 72 Hình 3.3 Vận tốc dịng chảy với Hình 3.4 Vận tốc dịng chảy với Re 2300 Re 2300 Với trị số Reynold nhỏ ( Re 2300 ), chất chuyển động thành lớp (chảy tầng) Tất chuyển động xuất theo dọc trục ống dẫn, ảnh hưởng tính nhớt lực ma sát với thành ống dẫn, tốc độ lưu chất lớn vị trí trung tâm ống dẫn (hình 3.3) Khi tốc độ tăng trị số Reynold vượt 2.300, dòng chảy tăng dần hỗn loạn với lúc nhiều dịng xốy (trạng thái độ) (hình 3.4) Với Re từ 10.000 trở lên, dịng chảy hồn tồn hỗn loạn (trạng thái chảy rối) Các khí (ở trạng thái bão hồ) hầu hết chất lỏng thường vận chuyển ống dẫn trạng thái dòng chảy rối 3.2 Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất Để dùng cảm biến áp suất đo lưu lượng ,người ta đo chênh lệch áp suất (hiệu áp) vị trí ống có tiết diện dịng chảy khác nhau, lưu lượng kế đo dựa hiệu áp (differential pressure flowmeter) sử dụng phổ biến, đặc biệt dùng với chất lỏng, thiết bị hầu hết lưu lượng kế khác gồm thành phần : - Thành phần 1: Là nguyên nhân gây lên thay đổi lượng động học, tạo nên thay đổi áp suất ống, thành phần phải phù hợp với kích thước đường ống, điều kiện dịng chảy, tính chất lưu chất - Thành phần 2: Đo chênh lệch áp tín hiệu đầu chuyển đổi thành giá trị lưu lượng * Định nghĩa áp suất : lực tác dụng đơn vị diện tích p = F/S (3-9) Trong : p – áp suất F – lực tác dụng (N) S – diện tích chịu tác dụng ( m2) Đơn vị áp suất : Pascal (Pa) (1 Pa = N/m2 ) 73 Ngồi cịn sử dụng đơn vị khác : bar , at , mmHg , … * Bộ phận tạo nên chênh lệch áp suất : Dù có nhiều phương pháp đo lưu lượng phát triển, song phương pháp đo lưu lượng ống co ứng dụng rộng rãi công nghiệp lĩnh vực khác, ống co dùng để tạo chênh lệch áp suất vị trí ống chưa co ống co, nên ống co phải dùng linh kiện học bền bỉ, cấu trúc đơn giản khơng có phần tử di động để chịu điều kiện vô khắc nghiệt công nghiệp Phương pháp đo sử dụng Pitottube dựa chênh lệch áp suất khơng tạo co trực tiếp dịng chảy * Ống co Venturi : Nguyên tắc : Phương pháp đo lưu lượng ống co dựa định luật liên tục phương trình lượng Bernoulli Phương trình liên tục : A1 u1 A2u2 hay Au const (3-10) Phương trình Bernoulli : p1 gh1 u12 p2 gh2 u22 hay p gh Áp dụng cho ống co Venturi : p1 Trong đó: u12 u p2 u22 const (3-11) (3-12) A1 - diện tích trước co A2 - diện tích vị trí co u1 - vận tốc trước vị trí co u2 - vận tốc vị trí co p1 - áp suất trước vị trí co P2 - áp suất vị trí co ρ - khối lượng riêng h1 - độ cao vị trí trước co h2 - độ cao vị trí sau co Ở nơi ống có diện tích bị thu nhỏ, vận tốc dịng chảy gia tăng, với phương trình lượng Bernoulli, lượng dòng chảy tổng lượng áp suất tĩnh động (vận tốc) số 74 Hình 3.5 Ống Venturi P P1 P2 u22 ( P1 P2 ) u12 Đặt ( P1 P2 ) ( 1 ( A2 ta có : u2 (3-13) (u22 u12 ) A1 ) A2 2 ) u2 A1 (3-14) (3-15) gọi số dòng chảy, (3-16) ( P1 P2 ) Từ ta có lưu lượng tính theo thể tích khối lượng sau : Qv A2 u2 A2 P1 P2 k P Qm A2 u2 A2 2 P1 P2 k ' P Trong : k A2 (3-17) (3-18) k ' A2 2 (3-19) Như lưu lượng tỉ lệ với bậc hiệu áp khối lượng riêng số * Oriffice plate : Oriffice plate (hình 3.7) cách thức đơn giản kinh tế để tác động đến dịng chảy, để từ tính lưu lượng Tấm “Oriffice” đặt dịng chảy q trình hai mặt bích nằm ống nằm ngang hay thẳng đứng Dòng chảy bị giới hạn qua “Oriffice” có lỗ hở 1,345 inch (bề dày khoảng 1/16 đến 1/4 inch) 75 Thường có loại Oriffice plate Concentric (đồng tâm); Eccentric (lệch tâm); Segmental (hình cung) hình vẽ 3.6 Concentric Eccentric Hình 3.6 Các dạng ống co Oriffice plate 76 Segmental Hình 3.7 Tấm “Oriffice” * Cảm biến áp suất kiểu điện trở áp điện : - Cảm biến áp suất kiểu điện trở : Cảm biến áp suất kiểu điện trở có cấu tạo gồm strain gauge dán cố định màng mỏng (phân cách phần áp suất cao phần áp suất thấp) biến dạng hình hình 3.8 Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến 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 thay đổi 77 Hình 3.8 Cấu tạo số hình dạng 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 hình dạng cảm biến áp suất kiểu áp điện Trong cấu tạo cảm biến, phần tử nhạy cảm chất áp điện : tinh thể thạch anh, Titan, Bari … Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến làm tinh thể áp điện bị biến dạng (bị nén) bề mặt chất áp điện xuất điện tích Q phụ thuộc vào áp suất nén Q = K.P (3-20) Với K hệ số phụ thuộc vào kích thước chất chất áp điện 78 3.3 Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 3.3.1 Ngun tắc hoạt động Phương pháp đo lưu lượng dịng xốy dựa hiệu ứng phát sinh dịng xốy vật cản nằm lưu chất, dịng xốy xuất bị dòng chảy Hiện tượng Leonardo da Vinci ghi nhận Strouhal năm 1878 cố gắng giải thích lần đầu tiên, ơng nhận thấy sợi dây nằm dịng chảy có rung động dây đàn, dao động tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy tỉ lệ nghịch với đường kính sợi dây Theo dor von Karman tìm thấy nguyên nhân gây dao động : Đó sinh biến dịng xốy bên cạnh vật cản, đường dịng xốy hình thành phía sau vật cản vật đặt dòng chảy Các dịng xốy rời bỏ vật cản trơi theo dịng chảy, phía sau vật cản hình thành đường dịng xốy đặt tên đường xốy Karman Các dịng xốy bên vật cản có chiều xốy ngược nhau, tần số biến (và xuất hiện) hiệu ứng dùng để đo lưu lượng thể tích Lord Rayleigh tìm thấy liên hệ kích thước hình học vật cản (đường kính vật cản D), vận tốc lưu chất v tần số biến dòng xoáy f, liên hệ diễn tả với trị số Strouhal : St (Trị số Strouhal hàm trị số Reynold ) St f D v (3-21) Khi số Strouhal không phụ thuộc vào trị số Reynold ta tính lưu lượng thể tích đơn vị thời gian theo công thức sau : * Ngun tắc tần số dịng xốy : Cảm biến độ xốy sử dụng đặc tính khác chất lỏng để xác định lưu lượng Khi dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào dốc đứng đặt vng góc với dịng chảy tạo vùng xốy Tốc độ tạo xốy dịng chất lỏng tăng lên lưu lượng tăng Với biến xuất dịng xốy, vận tốc dịng chảy bên vật cản đường dòng xoáy thay đổi cách cục Tần số dao động vận tốc đo với phương pháp khác Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có phần : 79 Hình 5.16 Chế độ hoạt động Dark-On cảm biến quang loại thu phát độc lập - Chế độ hoạt động Light-On : Hình 5.17 Chế độ hoạt động Light-On cảm biến quang loại thu phát độc lập * Kết nối cảm biến : Tùy thuộc vào đối tượng tải thực tế, mà sử dụng phận thu cảm biến quang loại DC hay AC Khi kết nối cảm biến với tải phải tuân theo dẫn ghi nhãn cảm biến Mọi kết nối sai làm hỏng cảm biến - Kết nối tải phận thu kiểu NPN : 116 Hình 5.18 Kết nối phận thu kiểu NPN - Kết nối tải phận thu kiểu PNP : Hình 5.19 Kết nối phận thu kiểu PNP Tải Relay, PLC mạch Logic 5.3 Cảm biến quang loại phản xạ gương * Cấu tạo nguyên lý hoạt động : Cảm biến quang loại phản xạ gương (retro reflective) gồm hai thành phần phận phát – thu gương phản xạ hình 5.20 Bộ phận phát phát ánh sáng hồng ngoại truyền thẳng, ánh sáng hồng ngoại mã hóa theo tần số đó, mục đích nhằm tránh ảnh hưởng nguồn ánh sáng xung quanh Nếu khơng có vật cảm biến ánh sáng từ phận phát bị phản xạ ngược lại, phận thu nhận ánh sáng khơng có tác động ngõ Nếu có vật cảm biến ngang qua ngắt ánh sáng truyền đến phận thu phận thu không nhận ánh sáng từ phận phát, lúc phận thu có tín hiệu tác động ngõ 117 Hình 5.20 Cấu tạo cảm biến quang loại phản xạ gương * Gương phản xạ : Gương phản xạ loại gương mà ánh sáng chiếu đến ánh sáng phản xạ trở lại song song với ánh sáng chiếu tới Gương phản xạ dùng cho cảm biến quang thường có dạng hình vng hình chữ nhật Về cấu tạo bên gương phản xạ có hai loại, loại hạt thủy tinh loại gương ba mặt Hình 5.21 Cấu tạo nguyên lý hoạt động : a)Gương thường b)Gương phản xạ mặt c) Gương phản xạ loại hạt thủy tinh * Khoảng cách phát : Đối với cảm biến quang loại gương phản xạ, khoảng cách cài đặt khoảng cách tính từ phận phát – thu đến gương phản xạ cho phận thu nhận ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt 118 Hình 5.22 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại gương phản xạ * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On : - Chế độ hoạt động Dark-On : Hình 5.23 Chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại gương phản xạ - Chế độ hoạt động Light-On : Hình 5.24 Chế độ hoạt động Light – On cảm biến quang loại gương phản xạ * Kết nối cảm biến : (Tương tự kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập) 5.4 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Cấu tạo nguyên lý hoạt động : 119 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán (diffuse reflective) loại cảm biến sử dụng nguyên lý phát thu, tia hồng ngoại phát có góc phát to dần ánh sáng xa Hình 5.25 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Khoảng cách phát : Đối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt khoảng cách xa tính từ phận phát – thu đến vật cảm biến cho phận thu nhận ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt Hình 5.26 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On : - Chế độ hoạt động Dark-On : Hình 5.27 Chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán - Chế độ hoạt động Light-On : 120 Hình 5.28 Chế độ hoạt động Light – On cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Kết nối cảm biến : (Tương tự kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập) 5.5 Một số ứng dụng cảm biến quang điện E 3S-C Phát gãy mũi khoan 3C Phát vật lớn E E E 3C 3C Phát vật nhỏ Phát linh kiện điện tử Hình 5.29: Một số cảm biến quang điện thường gặp 121 Phát sữa hộp giấy Kiếm tra thuốc Đặc điểm: - Độ tin cậy cao - Khoảng cách phát xa - Không bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật Sensor vật băng ngang qua Hình 5.30: Một số cảm biến quang điện cơng nghiệp Hình 5.31:Cảm biến E3Z-T61 122 * Cảm biến quang loại phản xạ gương : E3Z-T61, với tia sáng mạncó thể xun qua vỏ bọc giấy bên ngồi phát sữa / nước trái thời điểm phát mức chất lỏng Phát người để mở cửa Phát xe qua Phát vali, túi xách … băng chuyền Nhận dạng đếm IC Phát Phát chai PET Hình 5.32: Một số loại cảm biến phản xạ gương 123 * Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán : Hình 5.33: Cảm biến Z4W-V Z4W-V loại Laser sensor phát chiều cao bánh làm với độ xác tới vài micromet Hình 5.34: Phát bánh băng chuyền 124 E 3SC Hình 5.35: Nhận dạng cắt cao su 5.6 Thực hành với cảm biến quang 5.6.1 Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập a Thiết bị + Cảm biến quang loại phát thu độc lập E3C + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến b Ghi thông số kỹ thuật 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: c Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến d Các bước thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ 125 Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lượt cho vật cảm biến khác qua phận phát phận thu để xét xem tác động ngõ cảm biến e Những ghi thực hành nhận xét : 5.6.2 Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ a Thiết bị + Cảm biến quang loại gương phản xạ E3T - SR + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến b Ghi thông số kỹ thuật 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: 126 c Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến d Các bước thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lượt cho vật cảm biến khác qua phận phát - thu gương phản xạ để xét xem tác động ngõ cảm biến e Những ghi thực hành nhận xét 5.6.3 Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán a Thiết bị + Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán E3S – CL1 + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến b Ghi thông số kỹ thuật 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: 127 Tiêu chuẩn cách điện: c Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến d Các bước thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lượt cho vật cảm biến khác qua phận phát - thu với khoảng cách khác để xét xem tác động ngõ cảm biến 5.6.3.4 Những ghi thực hành nhận xét : 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003 [2] Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Lê văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [3] Cảm biến ứng dụng Dương Minh Trí NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [4] Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [5] Giáo trình đo lường khơng điện Trường ĐHSPKT TP HCM [6] Electrical-electronic - Heungryong Khoa học xuất bản, Jae Keun Lee, 2010 04 129 130 ... P P1 P2 u 22 ( P1 P2 ) u 12 Đặt ( P1 P2 ) ( 1 ( A2 ta có : u2 ( 3-1 3) (u 22 u 12 ) A1 ) A2 2 ) u2 A1 ( 3-1 4) ( 3-1 5) gọi số dòng chảy, ( 3-1 6) ( P1 P2 ) Từ ta... Trong đó: u 12 u p2 u 22 const ( 3-1 1) ( 3-1 2) A1 - diện tích trước co A2 - diện tích vị trí co u1 - vận tốc trước vị trí co u2 - vận tốc vị trí co p1 - áp suất trước vị trí co P2 - áp suất... theo nội dung học - Mô tả, phân biệt loại cảm biến quang theo nội dung học - Thực phép đo dùng cảm biến quang đạt yêu cầu kỹ thuật - Xử lý lỗi hệ thống cảm biến quang gây đạt yêu cầu kỹ thuật -