THIẾT BỊ TRƯỜNG TRONG NHÀ MÁY

Đề Tài : THIẾT BỊ TRƯỜNG TRONG NHÀ MÁY Người Hướng Dẫn : TĂNG THẾ DŨNG Kỹ Sư Thực Hiện : HỒ HOÀNG DUY Nhơn Trạch_Tháng 9-2008 PVNT POWER PV POWER TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC DẦU KHÍ VIỆT NAM CÔNG TY ĐIỆN LỰC DẦU KHÍ NHƠN TRẠCH Trang 1 ĐỀ TÀI: Thiết Bị Trường Trong Nhà Máy KS: Hồ Hoàng Duy Mục Lục Mục Lục Trang 1 Chương 1: Các Khái Niệm Và Đặc Trưng Cơ Bản Trang 2 Chương 2: Cảm Biến Nhiệt Độ Trang 26 Chương 3: Cảm Biến Lưu Lượng Trang 47 Chương 4: Cảm Biến Áp Suất Trang 58 Chương 5: Cảm Biến Báo Mực, Vị Trí Trang 65 Chương 6: Cảm Biến Vận Tốc, Đo Độ Rung Trang 69 Chương 7: Thiết Bị Trường Trong Nhà Máy Điện Nhơn Trạch Trang 71 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 2 Chng I CC KHI NIM V C TRNG C BN 1.1. Khỏi nim v phõn loi cm bin 1.1.1. Khỏi nim Cảm biến l thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lợng vật lý v các đại luợng không có tính chất điện cần đo thnh các đại l-ợng điện có thể đo v xử lý đuợc. Các đại luợng cần đo (m) thờng không có tính chất điện (nh nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trng (s) mang tính chất điện (VD: điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại luợng đo. Đặc trung (s) l hm của đại lợng cần đo (m): s = F(m) (1.1) Ta gọi (s) l phản ứng của cảm biến, (m) l đại l ợng đầu vo hay kích thích. Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). 1.1.2. Phõn loi cm bin Các bộ cảm biến đuợc phân loại theo các đặc trng cơ bản sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng v kích thích (bảng 1.1). Hiện tợn g Chu y ển đổi đá p ứn g v kích thích Hiện tợng vật lý - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Quang đn hồi - Từ điện Hoá học - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ Sinh học - Biến đổi sinh hoá - Biến đổi vật lý Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 3 - Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2) Âm thanh - Biên p ha, p hân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng Điện - Điện tích, dòn g điện - Điện thế, điện áp - Điện trờng (biên, pha, phân cực, phổ) Điệ dẫ hằ ố điệ ôi Từ - Từ tr ờn g (biên, p ha, p hân cực, p hổ) - Từ thông, c ờng độ từ trờng - Độ từ thẩm Quang - Biên, p ha, p hân cực, p hổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ Cơ - Vị tr í - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lợng, tỉ trọng Nhiệt - Nhiệt độ - Thông l ợng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt Bức xạ - Kiểu - Năng l ợng - C ờng độ Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 4 - Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3) Bảng 1.3 - Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4). Bảng 1.4 - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trờng, khí tợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân sự - Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế : + Cảm biến tích cực có đầu ra l nguồn áp hoặc nguồn dòng. + Cảm biến thụ động đ ợc đặc trng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến. - Độ nhạy - Khả năng quá tải - Độ chính xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện môi trờng - Công suất tiêu thụ - Kích thớc, trọng lợng - - - Dải tần - Độ trễ Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 5 1.2. Đ ờng cong chuẩn của cảm biến 1.2.1. Khá i niệm Đờng cong chuẩn cảm biến l đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại l ợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vo giá trị của đại lợng đo (m) ở đầu vo. Đờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dới dạng s= F(m), hoặc bằng đồ thị nh hình 1.1a. a) b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đ ờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Dựa vo đờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị m i cha biết của m thông qua giá trị đo đợc s i của s. Để dễ sử dụng, ngời ta thờng chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lợng đầu ra v đại lợng đầu vo, phơng trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b l các hệ số, khi đó đ ờng cong chuẩn l đờng thẳng (hình 1.1b). 1.2.2. Phơng pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến l phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo đợc của đại lợng điện ở đầu ra v giá trị m của đại lợng đo có tính đến các yếu tố ảnh hởng, trên cơ sở đó xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác m i của m, đo giá trị tơng ứng s i của s v dựng đờng cong chuẩn. Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 6 Hình 1.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trờng hợp đại lợng đo chỉ có một đại lợng vật lý duy nhất tác động lên một đại lợng đo xác định v cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lợng ảnh hởng, ngời ta dùng phơng pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản l đo các giá trị của đại lợng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lợng đo ở đầu vo. Việc chuẩn đợc tiến hnh theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lợng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trớc với độ chính xác cao. - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đờng cong chuẩn, cả hai đợc đặt trong cùng điều kiện lm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lợng đo ta nhận đợc giá trị tơng ứng của cảm biến so sánh v cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tơng tự với các giá trị khác của đại lợng đo cho phép ta xây dựng đợc đờng cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. b) Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo đ ợc ở đầu ra phụ thuộc không những vo giá trị tức thời của đại lợng cần đo ở đầu vo m còn phụ thuộc vo giá trị trớc đó của của đại lợng ny. Trong trờng hợp nh vậy, ngời ta áp dụng phơng pháp chuẩn nhiều lần v tiến hnh nh sau: - Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lợng cần đo v đại lợng đầu ra có giá trị tơng ứng với điểm gốc, m=0 v s=0. - Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại l ợng đo ở đầu vo. - Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đờng cong chuẩn theo cả hai hớng đo tăng dần v đo giảm dần. Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 7 1.3. Các đặc trng cơ bản 1.3.1. Độ nhạy của cảm biến a) Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra s v biến thiên đầu vo m có sự liên hệ tuyến tính: s = S. m (1.2) s Đại lợng S xác định bởi biểu thức S= ____ đợc gọi l độ nhạy của cảm biến. m Tr ờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị m i của đại lợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lợng đầu ra v biến thiên m tơng ứng của đại lợng đo ở đầu vo quanh giá trị đó: (1.3) Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế v sử dụng cảm biến cần lm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa l ít phụ thuộc nhất vo các yếu tố sau: - Giá trị của đại lợng cần đo m v tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác (không phải l đại lợng đo) của môi tr ờng xung quanh. Thông thờng nh sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tơng ứng với những điều kiện lm việc nhất định của cảm biến. b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh v tỷ số chuyển đổi tĩnh Đờng chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị s i ở đầu ra tơng ứng với các giá trị không đổi m i của đại lợng đo khi đại lợng ny đạt đến chế độ lm việc danh định đợc gọi l đặc trng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc tr ng tĩnh xác định một điểm lm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính l độ đốc của đặc trng tĩnh ở điểm lm việc đang xét. Nh vậy, nếu đặc trng tĩnh không phải l tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm lm việc. (1.4) Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 8 Đại lợng r i xác định bởi tỷ số giữa giá trị s i ở đầu ra v giá trị m i ở đầu vo đợc gọi l tỷ số chuyển đổi tĩnh: Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh r i không phụ thuộc vo điểm lm việc Q i v chỉ bằng S khi đặc trng tĩnh l đờng thẳng đi qua gốc toạ độ. c) Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động đ-ợc xác định khi đại l-ợng đo biến thiên tuần hon theo thời gian. Giả sử biến thiên của đại lợng đo m theo thời gian có dạng: m(t) = m 0 + m 1 cos t Trong đó m 0 l giá trị không đổi, m 1 l biên độ v tần số góc của biến thiên đại lợng đo. ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng: s(t) = + s 0 s 1 cos( t + M ) Trong đó: - s 0 l giá trị không đổi tơng ứng với m 0 xác định điểm lm việc Q 0 trên đờng cong chuẩn ở chế độ tĩnh. - s 1 l biên độ biến thiên ở đầu ra do thnh phần biến thiên của đại lợng đo gây nên. - M l độ lệch pha giữa đại lợng đầu vo v đại lợng đầu ra. Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến đợc xác định bởi tỉ số giữa biên độ của biến thiên đầu ra s 1 v biên độ của biến thiên đầu vo m 1 ứng với điểm lm việc đ ợc xét Q 0 , theo công thức: Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vo tần số đại l ợng đo, S= S(f ). Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc l do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện Thit B Trng Trong Nh Mỏy in ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 9 của đầu đo, tức l của cảm biến v các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lợng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vo tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể. 1.3.2. Độ tuyến tính a) Khái niệm Một cảm biến đợc gọi l tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vo đại lợng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính l sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vo giá trị của đại l ợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trng tĩnh của cảm biến v hoạt động của cảm biến l tuyến tính chừng no đại l ợng đo còn nằm trong vùng ny. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vo đại lợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (nh tần số riêng f 0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vo đại lợng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, ngời ta đa vo mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lợng đo ở đầu vo. Sự hiệu chỉnh đó đợc gọi l sự tuyến tính hoá. b) Đờng thẳng tốt nhất Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận đợc một loạt điểm tơng ứng (s i ,m i ) của đại lợng đầu ra v đại lợng đầu vo. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đờng cong chuẩn l một đờng thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (m i , s i ) nhận đợc bằng thực nghiệm thờng không nằm trên cùng một đờng thẳng. Đờng thẳng đợc xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số l bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến đợc gọi l đờng thẳng tốt nhất. Phơng trình biểu diễn đờng thẳng tốt nhất đợc lập bằng phơng pháp bình ph ơng bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hnh với N điểm đo, phơng trình có dạng: [...]... K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 22 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in _ Chơng I I Cảm biến đo n h i ệ t độ 2.1 Khái niệm cơ bản Nhiệt độ l một trong số những đại lợng có ảnh hởng rất lớn đến tính chất vật chất Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng nh trong đời sống hng ngy việc đo nhiệt độ l rất cần thiết Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt... từ điện trở:Bi, InSb K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 17 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in 1.5 M ạ c h đo 1.5.1 Sơ đồ mạch đo Mạch đo bao gồm ton bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lợng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể ở đầu vo của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lợng cần đo... Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện d) Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trờng không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa l tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tơng tự nh vậy, trong một khung dây đặt trong từ trờng có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến... gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu v thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 18 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi đo, mạch đo thờng gồm nhiều thnh phần trong đó có các khối để tối u hoá việc thu thập... v các đại lợng ảnh hởng vợt qua ngỡng của vùng không gây nên h hỏng nhng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trng của cảm biến bị thay đổi v những thay đổi ny mang tính không thuận nghịch, tức l khi trở về vùng lm việc danh định các đặc trng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng Trong trờng hợp ny cảm biến vẫn còn sử dụng đợc, nhng phải tiến hnh chuẩn lại cảm biến... K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 33 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in _ - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống đợc va chạm mạnh v rung động, điện trở kim loại đợc cuốn v bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm v đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép Trên hình 2.4 l các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin... nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại v nhiệt độ Thông thờng khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A l NA(t0), trong B l NB(t0) v ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A l NA(t), trong B l NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t) Xét đầu lm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A o B v ở chổ tiếp... thnh hiệu điện thế tơng ứng trong A l eA(t,t0) v trong B l eB(t,t0) Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau: _ K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 37 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in _ Chọn nhiệt độ ở một mối hn t0 = const biết trớc lm nhiệt độ so sánh v đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định... thời gian cần thiết để đại lợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lợng ny v khoảng thời gian giảm tc l thời gian cần thiết để đại lợng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng 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 1.3.5 G i ớ i hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình... các đại K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 12 Thit B Trng Trong Nh Mỏy in lợng vật lý có liên quan v các đại lợng ảnh hởng vợt qua ngỡng của vùng lm việc danh định nhng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên h hỏng, các đặc trng của cảm biến có thể bị thay đổi nhng những thay đổi ny mang tính thuận nghịch, tức l khi trở về vùng lm việc . phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thờng l bán dẫn) khi chiếu vo chúng một bức xạ ánh sáng (ho c bức xạ điện từ nói chung) có bớc sóng nhỏ hơn một ngỡng nhất định. - Hiệu ứng quang phát