Các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành và điều khiển

Page 1 2. Các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành và điều khiển 2.1 Cảm biến và thiết bị chấp hành courtesy ABB 2008 June, HK Industrial Automation 2/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 2.1.1. Khái niệm 2.1. Cảm biến và các thiết bị chấp hành 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Chức năng 2.1.3 Mô hình mạch 2.1.4 Các đặc trưng cơ bản 2.1.5 Cấu trúc chung của cảm biến thông minh 2.1.6 Đo nhiệt độ 2.1.7 Đo lưu lượng 2.1.8 Đo áp suất và mức 2.1.9 Đo các đại lượng cơ học 2.1.10 Thiết bị chấp hành 2.2. Thiết bị điều khiển 2.3. Các bộ điều khiển lôgic khả trình Page 2 3/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation -Thiết bị đo- cảm biến: Thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các biến trạng thái của quá trình. -Thiết bị chấp hành: Biến đổi tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển thành sự điều chỉnh vật lý nhằm thay đổi đầu vào của quá trình. 2.1.1. Khái niệm Thị phần thiết bị của các nhà sản xuất Emerson (Fisher-Rosemount): 27 % Invensys: 4-5% ABB: 4-5% Honeywell: 3-4% 4/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 2.1.2. Chức năng - Cảm biến cảm nhận, đo đạc và đánh giá thông số hệ thống. - Bộ điều khiển tính toán xử lý thông tin đưa ra tín hiệu điều khiển. - Cơ cấu chấp hành thực hiện các yêu cầu điều khiển quá trình. Page 3 5/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 2.1.3. Mô hình mạch Coi cảm biến như một mạng 2 cửa. - Cửa vào là biến quá trình cần đo V. - Cửa ra là giá trị đo được M. - Phương trình mô tả quan hệ: M= f(V) 6/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 2.1.4. Các đặc trưng cơ bản Page 4 7/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 8/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation b. Các tín hiệu và các chuẩn Chuẩn điện học thông dụng nhất được dùng để truyền tín hiệu là dùng một tín hiệu dòng điện từ 4- 20 mA Page 5 9/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation c. Dải đo, ngưỡng nhạy và khả năng phân ly - Dải đo ( span, full scal, range) của một giá trị đo được xác định bởi giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất: D= Xmax-Xmin 10/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation - Ngưỡng nhạy: khi x giảm thì Y cũng giảm theo nhưng với Δx < ε thì không thể phân biệt được ΔY - Khả năng phân ly (Resolution): max min X - X D R = = εε Với D = X max – X min là thang đo (thường X min = 0) Vì các thiết bị đo khác nhau có độ nhạy khác nhau, nên để so sánh tính nhạy của thiết bị người ta dùng khái niệm khả năng phân ly của thiết bị Page 6 11/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation e. Độ chính xác và sai số - Độ chính xác là giá trị đo được gần nhất với giá trị quá trình - Sai số thường được thể hiện bằng giá trị sai số tuyệt đối: % 100 d x x    d x x x   - Sai số tương đối: 12/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation Ví dụ: một bộ cảm biến di chuyển thẳng có độ nhạy 1mV trên 1mm di chuyển. Nếu di chuyển 10mm tạo nên điện áp 10,5mV thì: Sai số tuyệt đối : Δx = 10,5 - 10 = 0,5 mV. Sai số tương đối: 0,5 % 100 5% 10   Page 7 13/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân thành: - Sai số hệ thống: không phụ thuôc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian. Nguyên nhân: + do nguyên lý của cảm biến + giá trị đại lượng chuẩn không đúng + điều kiện và chế độ sử dụng + do xử lý kết quả đo … 14/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation - Sai số ngẫu nhiên: xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Nguyên nhân: + do thay đổi đặc tính của thiết bị + do tín hiệu ngẫu nhiên + các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường … Page 8 15/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation f. Độ lặp và trễ - Độ lặp là các giá trị đo thu được nhiều lần khi đo tại một điểm - Độ trễ xảy ra khi giá trị đo được có đáp ứng kịp với sự tăng hay giảm của giá trị quá trình hay không 16/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 2.1.5. Cấu trúc chung của cảm biến thông minh Page 9 17/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation Việc thực hiện một bộ cảm biến thông minh có thể tiến hành theo hai phương pháp: - Nếu bộ cảm biến ở đầu vào là cảm biến thông thường thì đầu ra được đưa vào một vi mạch bao gồm các CĐCH, MUX, A/D và μP trong một khối có đầu ra qua bộ ghép nối để đưa thông tin đi xa hay vào máy tính cấp trên. - Nếu bản thân cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau nó được để trong một khối 18/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động của cảm biến bao gồm: - Chương trình thu thập dữ liệu: Khởi động các thiết bị như ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào ADC, điều khiển hoạt động của MUX - Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo: Biến đổi các giá trị đo được thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, mã chương trình xử lý số liệu đo. - Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra LED hay màn hình, máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng, hay gửi tín hiệu cho máy tính cấp trên Page 10 19/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation 2.1.6. Đo nhiệt độ 2.1.6.1. Giới thiệu chung - Việc đo lường, điều khiển nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong điều khiển quá trình. - Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Có bốn phương pháp đo nhiệt độ dựa trên các đặc điểm vật lý sau: - Sự giãn nở của các vật liệu theo nhiệt độ - Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ - Sự thay đổi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau - Sự thay đổi năng lượng phát ra theo nhiệt độ 20/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation - Thang đo nhiệt độ: Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( 0 C) T ( 0 C)=T(K)-273,15 Fahrenheit ( 0 F) T ( 0 F)=1,8T( 0 C)+32 Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hòa hợp nước – nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước – nước đá – hơi nước 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 [...]... Instrumentation Page 25 c Đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm - Phương pháp đo bằng sóng siêu âm dựa trên sóng âm thanh tần số cao - Một bộ phát và thu sóng được đặt trên đỉnh thùng chứa - Mức trong thùng chứa được tính từ các tín hiệu phản xạ lại lên bộ thu Industrial Automation 51/52 2.1 Instrumentation 3 Ứng dụng trong công nghiệp Thiết bị đo áp suất và mức EJA của Yokogawa EJA là thiết bị đo và chuyển đổi áp... khi có các xoáy được phát hiện bởi các cảm biến (thành phần áp điện) đặt bên trong thanh tạo xoáy Có 2 thành phần áp điện để phân biệt các lực tạo ra bởi xoáy và các lực được tạo ra do các yếu tố khác Industrial Automation 63/52 2.1 Instrumentation - Các quy định về lắp đặt (1) Đường ống • Lắp lưu lượng kế theo chiều mũi tên cùng chiều dòng chảy vào • Các hình minh hoạ dưới đây thể hiện khoảng cách tối... gian Sau một thời gian đo ở nhiệt độ cao, sẽ xuất hiện sự “lão hoá” hay sự “trượt” của kết quả đo đạc cặp nhiệt điện d Nguyên nhân gây sai số trong phép đo với cặp nhiệt điện - Khi có sự đứt đo n đầu đo - Khi hai dây của cặp nhiệt điện bị ẩm ướt - Không có vỏ bọc chống nhiễu - Cặp nhiệt điện nằm không đủ sâu vào môi trường cần đo Industrial Automation 31/52 2.1 Instrumentation f Các loại cặp nhiệt điện... Trong các thiết bị đo trên thị trường, vật cản được dùng có hình lăng kính Industrial Automation 58/52 Page 29 2.1 Instrumentation - Một số ưu điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy: • Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay hư hỏng nhẹ của vật cản • Sai số phép đo nhỏ • Độc lập với các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy • Không có bộ phận chuyển động cơ học và cấu... 46/52 2.1 Instrumentation Page 23 b Cảm biến áp suất điện dung đo hiệu suất - Điện dung C1, C2 bị thay đổi theo hiệu suất Δp = p1 – p2 Industrial Automation 47/52 2.1 Instrumentation 2 Đo mức chất lỏng a Đo mức chất lỏng bằng phương pháp đo điện dung Industrial Automation 48/52 Page 24 2.1 Instrumentation b Đo mức chất lỏng bằng cách đo áp suất và hiệu áp Industrial Automation 49/52 2.1 Instrumentation... dựa trên các cảm biến cộng hưởng theo sự thay đổi áp suất đầu vào Industrial Automation 52/52 Page 26 2.1 Instrumentation Industrial Automation 53/52 2.1 Instrumentation 2.1.7.2 Các phương pháp đo lưu lượng và ứng dụng trong công nghiệp 1 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy a Nguyên lý đo - Dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi xuất hiện một vật cản nằm trong lưu chất - Các dòng xoáy... Instrumentation b Các luật của cặp nhiệt điện - Luật 1: hiệu ứng nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của các điểm kết nối - Luật 2: Các kim loại có thể được gắn thêm vào trong mạch mà không ảnh hưởng đến điện thế - Luật 3: Có thể gắn thêm một kim loại thứ ba vào một trong hai điểm tiếp xúc Industrial Automation 29/52 2.1 Instrumentation - Luật 4: Luật của các kim loại trung gian - Luật 5: Luật của các nhiệt... điện CM và CH của Yokogawa - CM: dùng cho các ứng dụng chung - CH: dùng đo nhiệt độ ở nơi có áp suất cao Industrial Automation 33/52 2.1 Instrumentation 2.1.7 Đo áp suất và mức 2.1.7.1 Giới thiệu chung 1 Đại cương về áp suất - Phần lớn các loại cảm biến áp suất hiện nay được chế tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng điện trở áp điện - Các loại cảm biến áp suất bán dẫn biến đại lượng vật lý áp suất thành... kế với các đo n nối và điểm nối khác Industrial Automation 64/52 Page 32 2.1 Instrumentation Industrial Automation 65/52 2.1 Instrumentation Industrial Automation 66/52 2.1 Instrumentation Page 33 - Việc lắp đặt các điểm đo áp suất và nhiệt độ trên cùng một đường ống với lưu lượng kế có quy định về khoảng cách như sau: Industrial Automation 67/52 2.1 Instrumentation Lưu lượng kế xoáy không thể đo được... Nhiệt điện trở RM và RH của Yokogawa - Nhiệt điện trở RM và RH có thành phần điện trở là platin (Pt100 hay Pt50) - RM được ứng dụng trong các quá trình nói chung - RH thích hợp với các quá trình có áp suất cao Industrial Automation 26/52 Page 13 2.1 Instrumentation 2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện a Cặp nhiệt điện - Hai kim loại được hàn với nhau - Đốt nóng một điểm đến nhiệt độ t1 và đầu còn lại giữ . hợp nước – nước đá 27 3 ,15 0 32 Cân bằng nước – nước đá – hơi nước 27 3 ,16 0, 01 32, 018 Nước sôi 373 ,15 10 0 21 2 Page 11 21 / 52 2 .1 InstrumentationIndustrial Automation 2. 1. 6 .2. Các phương pháp đo. Automation 2. 1. 1. Khái niệm 2. 1. Cảm biến và các thiết bị chấp hành 2. 1. 1 Khái niệm 2. 1 .2 Chức năng 2. 1. 3 Mô hình mạch 2. 1. 4 Các đặc trưng cơ bản 2. 1. 5 Cấu trúc chung của cảm biến thông minh 2. 1. 6 Đo. nhiệt độ 2. 1. 7 Đo lưu lượng 2. 1. 8 Đo áp suất và mức 2. 1. 9 Đo các đại lượng cơ học 2. 1. 10 Thiết bị chấp hành 2. 2. Thiết bị điều khiển 2. 3. Các bộ điều khiển lôgic khả trình Page 2 3/ 52 2 .1 InstrumentationIndustrial