ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài BÀI GIẢNG CẢM BIẾN ĐO LƢỜNG VÀ THIẾT BỊ ĐO.pdf

UBND TỈNH THÁI NGUYÊN TRƢỜNG CAO ĐẲNG THÁI NGUYÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài: BÀI GIẢNG CẢM BIẾN ĐO LƢỜNG VÀ THIẾT BỊ ĐO Ban hành kèm theo Quyết định số: 688/QĐ-CĐTN ngày 10 tháng 12 năm 2021 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Thái Nguyên SỐ TÍN CHỈ: (2/0) CHUN NGÀNH: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG HỆ: TRUNG CẤP NĂM HỌC ĐĂNG KÝ:2021 – 2022 (Lƣu hành nội bộ) Chủ biên: ThS Nguyễn Thị Bích Nga Đơn vị: Khoa kỹ thuật cơng nghiệp Thái Nguyên, năm 2022 LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo đƣợc biên soạn dựa theo chƣơng trình khung mơ đun Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo nằm chƣơng trình đào tạo nghề Điện công nghiệp dân dụng Bài giảng trình bày kiến thức kỹ thuật đo dùng ngành điện nay, giới thiệu phép đo để ứng dụng ngành sản xuất công nghiệp, phƣơng pháp đo đại lƣợng vật lý: đại lƣợng điện nhƣ điện áp, dòng điện, công suất,….và đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc,… Các kiến thức toàn giáo trình có mối liên hệ logic, chặt chẽ Bài giảng Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo đƣợc biên soạn dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, đƣợc dùng làm tài liệu giảng dạy tài liệu học tập cho học sinh ngành Điện công nghiệp dân dụng hệ trung cấp, ngồi giảng đƣợc dùng nhƣ tài liệu tham khảo cho số ngành khác Nội dung giảng gồm phần đƣợc chia làm Bài 1: Đại cƣơng đo lƣờng điện Bài 2: Khái quát cảm biến ứng dụng Bài 3: Các loại cảm biến thông dụng Phần đo lƣờng cung cấp cho học sinh kiến thức kỹ thuật đo lƣờng ngành điện, trình bày dụng cụ đo, nguyên lý đo phƣơng pháp đo thơng số, sở ngƣời học biết cách sử dụng dụng cụ đo xử lý kết đo công việc sau Phần cảm biến trình bày khái quát cảm biến ứng dụng cảm biến thực tế, giới thiệu số loại cảm biến thông dụng cách lắp đặt cảm biến mơ hình thực tế gắn với mơ đun cảm biến có nhà trƣờng Trong trình biên soạn giảng chắn khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp để giảng đƣợc hồn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2022 Biên soạn ThS Nguyễn Thị Bích Nga MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI GIẢNG MÔ ĐUN BÀI 1: ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các phƣơng pháp đo 1.1.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lƣờng 1.2 SAI SỐ VÀ CÁCH HẠN CHẾ SAI SỐ 1.2.1 Sai số phép đo 1.2.2 Sai số dụng cụ đo 1.2.3 Cách hạn chế sai số 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG 1.3.1 Cơ cấu đo kiểu từ điện 1.3.2 Cơ cấu đo kiểu điện từ 11 1.3.3 Cơ cấu đo điện động 14 1.3.4 Cơ cấu đo cảm ứng 16 1.4 CÁC MÁY ĐO THÔNG DỤNG 17 1.4.1 Đồng hồ vạn 17 1.4.2 Ampe kìm 24 1.4.3 Tê rô mét – đo điện trở tiếp đất 25 BÀI KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 33 2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN 33 2.1.1 Khái niệm 33 2.1.2 Phân loại cảm biến 35 2.2 ỨNG DỤNG CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN 36 2.2.1 Ứng dụng công nghiệp 36 2.2.2 Ứng dụng nghiên cứu khoa học 40 BÀI CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG 42 3.1 CẢM BIẾN NHIỆT 42 3.1.1 Giới thiệu cảm biến nhiệt 42 3.1.2 Thiết bị thực hành 44 3.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN 46 3.2.1 Giới thiệu cảm biến tiệm cận 46 3.2.2 Thiết bị thực hành 47 3.2.3 Lắp đặt cảm biến 48 3.3 CẢM BIẾN KIỂU PHẢN XẠ 50 3.3.1 Giới thiệu cảm biến kiểu phản xạ 50 3.3.2 Thiết bị thực hành 52 3.3.3 Lắp đặt cảm biến 53 3.4 CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 55 3.4.1 Giới thiệu cảm biến hồng ngoại 55 3.4.2 Thiết bị thực hành 55 3.4.3 Lắp đặt cảm biến 56 3.5 CẢM BIẾN KHÓI 58 3.5.1 Giới thiệu cảm biến khói 58 3.5.2 Thiết bị thực hành 59 3.5.3 Lắp đặt cảm biến 59 3.6 CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT 61 3.6.1 Giới thiệu cảm biến đo áp suất 61 3.6.2 Thiết bị thực hành 61 3.6.3 Lắp đặt cảm biến 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 BÀI GIẢNG MÔ ĐUN Tên mô đun: Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo Mã mơ đun: MĐ 12 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Là mơ đun đƣợc bố trí sau học xong môn chung số môn học, mơ đun sở nhƣ khí cụ điện, vẽ kỹ thuật điện - Tính chất: Là mơ đun sở nghề, thuộc mô đun đào tạo bắt buộc học sinh trung cấp chuyên ngành Điện công nghiệp dân dụng - Ý nghĩa vai trò mô đun: Nhằm trang bị cho học sinh kiến thức đo lƣờng, thiết bị đo cảm biến gắn liền với thực tế Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Cung cấp cho ngƣời học cách nhìn tổng quát loại cảm biến, thiết bị đo lƣờng, ứng dụng + Trình bày đƣợc cấu tạo nhƣ nguyên lý hoạt động, từ sử dụng loại cảm biến, dụng cụ cho hiệu + Trình bày đƣợc bƣớc đo dụng cụ đo lƣờng, bƣớc thí nghiệm loại cảm biến - Về kỹ năng: + Phân tích đƣợc nguyên lý hoạt động dụng cụ đo lƣờng bản, cảm biến thiết bị, hệ thống điện + Sử dụng hợp lý loại dụng cụ đo, loại cảm biến vào ứng dụng cụ thể nhằm đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ + Thực đƣợc thí nghiệm loại cảm biến thiết bị đo lƣờng - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Vận dụng kiến thức kỹ để phân tích, lắp đặt hệ thống nhƣ thiết điện sử dụng cảm biến, đo đại lƣợng điện thiết bị đo lƣờng + Sử dụng loại cảm biến thiết bị đo lƣờng để đo đại lƣợng điện ứng dụng vào thiết bị thực tế Nội dung mô đun: BÀI 1: ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN Mã bài: MĐ 12 - 01 Giới thiệu: Nội dung trình bày khái niệm đo lƣờng, cấu đo thông dụng Giới thiệu số loại máy đo cách sử dụng loại máy đo lƣờng điện thƣờng dùng điện công nghiệp Mục tiêu: - Giải thích khái niệm đo lƣờng, đo lƣờng điện - Đo đại lƣợng điện phƣơng pháp đo trực tiếp gián tiếp - Tính tốn đƣợc sai số phép đo, dụng cụ đo vận dụng phù hợp phƣơng pháp hạn chế sai số - Phân tích đƣợc cấu tạo, nguyên lý loại cấu đo thông dụng nhƣ: từ điện, điện từ, điện động…., loại máy đo thơng dụng nhƣ: VOM, Ampe kìm, MΩ, - Sử dụng thành thạo loại máy/thiết bị đo thông dụng để đo thông số mạch/mạng điện - Rèn luyện tính xác, chủ động, nghiêm t c công việc Nội dung bài: 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG 1.1.1 Khái niệm 1.1.1.1 Khái niệm đo lường Trong thực tế sống trình cân đo đong đếm diễn liên tục với đối tƣợng, việc cân đo đong đếm vô cần thiết quan trọng Với đối tƣợng cụ thể q trình diễn theo đặc trƣng chủng loại đó, với đơn vị đƣợc định trƣớc Trong lĩnh vực kỹ thuật đo lƣờng không thông báo trị số đại lƣợng cần đo mà làm nhiệm vụ kiểm tra, điều khiển xử lý thông tin Đối với ngành điện việc đo lƣờng thông số mạch điện vơ quan trọng Nó cần thiết cho q trình thiết kế lắp đặt, kiểm tra vận hành nhƣ dị tìm hƣ hỏng mạch điện - Đo lƣờng trình đánh giá định lƣợng đại lƣợng cần đo để có đƣợc kết số so với đơn vị đo (mẫu) - Kết đo đƣợc biểu diễn dƣới dạng: A  X X0 Và ta có phƣơng trình bản: X = A.X0 Ví dụ: I = 5A thì: Đại lƣợng đo là: dịng điện (I) Đơn vị đo là: Ampe (A) Con số kết đo là: 5 (1.1) * Dụng cụ đo mẫu đo: - Dụng cụ đo: Các dụng cụ thực việc đo đƣợc gọi dụng cụ đo nhƣ: dụng cụ đo dòng điện (Ampemét), dụng cụ đo điện áp (Vônmét) dụng cụ đo công suất (Oátmét) v.v - Mẫu đo: dụng cụ dùng để khôi phục đại lƣợng vật lý định có trị số cho trƣớc, mẫu đo đƣợc chia làm loại sau: + Loại làm mẫu: dùng để kiểm tra mẫu đo dụng cụ đo khác, loại đƣợc chế tạo sử dụng theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo làm việc xác cao + Loại cơng tác: đƣợc sử dụng đo lƣờng thực tế, loại gồm nhóm sau: Mẫu đo, dụng cụ đo thí nghiệm mẫu đo, dụng cụ đo dùng sản xuất 1.1.1.2 Khái niệm đo lường điện - Đo lƣờng điện trình đo đại lƣợng điện mạch điện Các đại lƣợng điện đƣợc chia làm hai loại: đại lƣợng điện tác động đại lƣợng điện thụ động + Đại lƣợng điện tác động: đại lƣợng nhƣ dịng điện, điện áp, cơng suất, điện năng…là đại lƣợng mang điện Khi đo đại lƣợng này, thân lƣợng cung cấp cho mạch đo + Đại lƣợng điện thụ động: đại lƣợng nhƣ điện trở, điện cảm, điện dung…các đại lƣợng không mang lƣợng phải cung cấp điện áp dòng điện cho đại lƣợng đƣa vào mạch đo 1.1.2 Các phƣơng pháp đo - Phƣơng pháp đo trực tiếp: phƣơng pháp đo mà đại lƣợng cần đo đƣợc so sánh trực tiếp với mẫu đo Ví dụ: Dùng cầu đo điện để đo điện trở, dùng cầu đo để đo điện dung v.v - Phƣơng pháp đo gián tiếp: phƣơng pháp đo đại lƣợng cần đo đƣợc tính từ kết đo đại lƣợng khác có liên quan Ví dụ: Muốn đo điện áp nhƣng ta khơng có Vơnmét, ta đo điện áp cách: + Dùng Ômmét đo điện trở mạch + Dùng Ampemét đo dòng điện qua mạch + Sau áp dụng cơng thức định luật biết để tính trị số điện áp cần đo 1.1.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lƣờng - Mỗi dụng cụ đo có phận bản: + Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC) + Mạch đo (MĐ) + Cơ cấu thị (CCCT) ĐẠI LƢỢNG ĐO CHUYỂN ĐỔI SƠ CẤP MẠCH ĐO Hình 1.1 Cấu tr c dụng cụ đo CƠ CẤU CHỈ THỊ 1.2 SAI SỐ VÀ CÁCH HẠN CHẾ SAI SỐ 1.2.1 Sai số phép đo - Là sai số kết đo lƣờng so với giá trị xác đại lƣợng đo - Các loại sai số: + Sai số hệ thống: sai số mà giá trị ln khơng đổi thay đổi có quy luật Sai số nguyên tắc loại trừ đƣợc Nguyên nhân: trình chế tạo dụng cụ đo nhƣ ma sát, khắc vạch thang đo, hiệu chỉnh “0” không đ ng, biến đổi nguồn cung cấp (nguồn pin) vv + Sai số ngẫu nhiên: sai số mà giá trị thay đổi ngẫu nhiên thay đổi mơi trƣờng bên ngồi (ngƣời sử dụng, nhiệt độ môi trƣờng thay đổi, chịu ảnh hƣởng điện trƣờng, từ trƣờng, độ ẩm, áp suất v.v ) Nguyên nhân: Do vị trí đọc kết ngƣời đo không đ ng, đọc sai v.v Dùng cơng thức tính tốn khơng thích hợp, dùng cơng thức gần đ ng tính tốn Nhiệt độ môi trƣờng thay đổi, chịu ảnh hƣởng điện trƣờng, từ trƣờng, độ ẩm, áp suất v.v ) 1.2.2 Sai số dụng cụ đo Để đánh giá sai số dụng cụ đo đo đại lƣợng ngƣời ta tính sai sơ nhƣ sau: Gọi: X: kết đo đƣợc X1: giá trị thực đại lƣợng cần đo + Sai số tuyệt đối: hiệu giá trị đại lƣợng đo đƣợc X giá trị thực đại lƣợng cần đo X1 X =X – X1 (1.2) X: gọi sai số tuyệt đối phép đo + Sai số tƣơng đối: %  X 100% X %  X 100% AX (1.3) Phép đo có γ% nhỏ xác + Sai số qui đổi qđ%  qd %  X  X1 X 100%  100% Xm Xm (1.4) Với Xm: Là giới hạn đo dụng cụ đo (giá trị lớn thang đo) Quan hệ sai số tƣơng đối sai số qui đổi:  qd %  X X X 100%  100%   %.K d Xm X Xm (1.5) Với K d  X Xm hệ số sử dụng thang đo (Kd  1) Nếu Kd gần đại lƣợng đo gần giới hạn đo, A bé phép đo xác Thơng thƣờng phép đo xác Kd  Ví dụ: Một dịng điện có giá trị thực 5A Dùng Ampemét có giới hạn đo 10A để đo dòng điện Kết đo đƣợc 4,95 A Tính sai số tuyệt đối, sai số tƣơng đối, sai số qui đổi Giải: + Sai số tuyệt đối: X =X1 - X= - 4,95 = 0,05 (A) + Sai số tƣơng đối: %  X 100% X %  X 0,05 100%  100%  1% X1 + Sai số qui đổi:  qd %  A 0,05 100%  *100%  0,5% Adm 10 1.2.3 Cách hạn chế sai số Để hạn chế sai số trƣờng hợp, có phƣơng pháp sau: - Đối với sai số hệ thống: loại trừ hết nguyên nhân gây sai số cách chuẩn lại thang chia độ, hiệu chỉnh giá trị “0” ban đầu… - Đối với sai số ngẫu nhiên: ngƣời sử dụng cụ đo phải cẩn thận, vị trí đặt mắt phải vng góc với mặt độ số dụng cụ (vị trí kim ảnh kim trùng nhau), tính tốn phải xác, sử dụng cơng thức phải thích hợp, điều kiện sử dụng phải phù hợp với điều kiện tiêu chuẩn 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG 1.3.1 Cơ cấu đo kiểu từ điện 1.3.1.1 Ký hiệu 1.3.1.2 Cấu tạo Hình 1.2 Cấu tạo cấu đo kiểu từ điện ... thống nhƣ thiết điện sử dụng cảm biến, đo đại lƣợng điện thiết bị đo lƣờng + Sử dụng loại cảm biến thiết bị đo lƣờng để đo đại lƣợng điện ứng dụng vào thiết bị thực tế Nội dung mô đun: BÀI 1: ĐẠI... THIỆU Bài giảng Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo đƣợc biên soạn dựa theo chƣơng trình khung mô đun Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo nằm chƣơng trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp dân dụng Bài giảng. .. liên hệ logic, chặt chẽ Bài giảng Cảm biến đo lƣờng thiết bị đo đƣợc biên soạn dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, đƣợc dùng làm tài liệu giảng dạy tài liệu học tập cho học sinh ngành Điện cơng