Bài tập thiết bị và hệ thống tự Động bài tập 4

Process sensors Tự động hóa công nghệ quy trình với các bộ truyền tín hiệu, cảm biến và thiết bị đo lườngcho các thông số áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng và độ dẫn điện của các môi trư

BÀI TẬP THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

BÀI TẬP 4 Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trọng Tài

Những cảm biến lực và áp suất đóng vai trò rất quan trọng trong giám sát, kiểm tra chấtlượng và đảm bảo an toàn trong các quy trình tự động hóa công nghiệp Dưới đây là 1 sốloại cảm biến Lực/Áp suất sau:

1 Cảm biến lực (Load Cell)

 Cân điện tử: Đo trọng lượng sản phẩm trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm

 Kiểm soát lực siết: Trong các máy ép hay dây chuyền sản xuất yêu cầu siết chặtbulông

 Đo lực căng: Trong các dây chuyền sản xuất dây điện, dây cáp

2 Cảm biến áp suất (Pressure Sensor)

 Độ bền cao: Chịu được điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, ăn mòn hóa học.

 Hệ thống HVAC: Kiểm soát áp suất trong hệ thống thông gió, điều hòa không khí

3 Cảm biến áp suất vi sai (Differential Pressure Sensor)

 Hai đầu đo: Có hai cổng đầu vào để đo áp suất ở hai điểm khác nhau

 Màng áp lực kép: Có hai màng áp lực để so sánh trực tiếp sự thay đổi giữa hai ápsuất

 Mạch điện tử: Xử lý và truyền tín hiệu ra đầu đo chênh lệch áp suất

 Hệ thống HVAC: Giám sát áp suất trong hệ thống điều hòa để duy trì luồng khí ổnđịnh.

4 Cảm biến áp suất Piezoresistive

Đặc trưng:

 Nhạy cảm với sự thay đổi áp suất nhỏ: Đo sự thay đổi áp suất ở mức chi tiết

 Độ bền cao trong môi trường khắc nghiệt: Chịu được nhiệt độ cao và ăn mòn

 Đo được dải áp suất rộng: Từ áp suất rất nhỏ đến rất lớn

Cấu tạo:

 Cảm biến biến dạng: Các thanh biến dạng có khả năng thay đổi điện trở khi có ápsuất tác động

 Màng silicon: Phần chịu lực chính, biến dạng dưới áp lực và thay đổi giá trị điện trở

 Mạch điện xử lý: Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu thành đầu ra số hoặc tương tự

 Độ bền và độ ổn định cao: Sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt

 Độ nhạy tốt: Đo được các thay đổi áp suất nhỏ

 Mạch chuyển đổi: Chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện tương ứng.

Ứng dụng:

 Công nghiệp hóa chất: Đo áp suất của các chất lỏng, khí có tính ăn mòn

 Đo mức chất lỏng: Dùng trong các bể chứa hóa chất, nước thải

 Hệ thống HVAC và kiểm soát môi trường: Đo áp suất không khí và kiểm soát môitrường trong các hệ thống điều hòa và thông gió

6 Cảm biến áp suất Capacitive

Đặc trưng:

 Độ chính xác cao: Cảm biến này rất nhạy với sự thay đổi của áp suất

 Độ bền dài hạn: Hoạt động ổn định, ít chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ

 Phù hợp với nhiều môi trường khác nhau: Có thể đo trong cả môi trường lỏng và khí

Cấu tạo:

 Tấm màng cảm biến: Tạo ra sự thay đổi điện dung khi có áp suất tác động

 Điện cực: Tạo thành tụ điện với màng cảm biến, thay đổi điện dung khi màng biếndạng

 Mạch điện tử: Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu thay đổi điện dung thành tín hiệuđiện

Ứng dụng:

 Kiểm soát áp suất trong công nghiệp thực phẩm: Đo áp suất trong quy trình chế biếnthực phẩm và dược phẩm

 Kiểm soát và giám sát khí nén: Ứng dụng trong hệ thống nén khí và làm lạnh

 Hệ thống đo độ cao và độ sâu: Đo áp suất trong các thiết bị đo độ cao và độ sâu dướinước

Process sensors

Tự động hóa công nghệ quy trình với các bộ truyền tín hiệu, cảm biến và thiết bị đo lườngcho các thông số áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng và độ dẫn điện của các môi trường khí,lỏng,

1 Công tắc hành trình (Limit Switches)

- Đặc trưng: Công tắc hành trình là những cấu trúc hoàn toàn cơ khí, trong đó các

bộ phận điện duy nhất là các tiếp điểm điện Công tắc có khả năng phát hiện

"điểm kết thúc hoặc giới hạn của chuyển động" thông qua chuyển động thẳng vàlực của một plunger, lực này được truyền vào bên trong và chuyển đổi thành cáctiếp điểm điện mở hoặc đóng Lò xo giãn đưa công tắc trở về vị trí ban đầu khinguyên nhân khiến plunger chuyển động được loại bỏ Vỏ công tắc có thể đượclàm từ nhôm hoặc nhựa giúp bảo vệ bộ phận bên trong Công tắc hành trình cóthể được thiết kế với nhiều kiểu đầu kích hoạt khác nhau, giúp phát hiện chuyểnđộng của nhiều loại đối tượng khác nhau Về cơ bản, thân công tắc là giống nhau,chỉ khác nhau ở kiểu đầu cảm biến.

- Cấu tạo: gồm một bộ truyền động cơ học và một bộ tiếp điểm Khi bộ truyềnđộng được kích hoạt bởi một đối tượng nào đó, công tắc sẽ hoạt động để tạo hoặcngắt kết nối điện

- Ứng dụng: Công tắc hành trình được ứng dụng rộng rãi trong nhiều môi trườngkhác nhau nhờ tính chắc chắn, dễ cài đặt và hoạt động tin cậy Thiết bị có thể xácđịnh sự hiện diện hoặc không của một vật thể, định vị vị trí và kết thúc hành trìnhmột cách chính xác Công tắc hành trình được sử dụng trong các thiết bị tự độnghóa, máy móc sản xuất, hệ thống an toàn và nhiều ứng dụng khác Với các tínhnăng ưu việt, công tắc hành trình đã trở thành một trong những thiết bị cơ điệnquan trọng nhất hiện nay

Công tắc hành trình Limit Switch được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành côngnghiệp khác nhau như:

 Trong ngành sản xuất, công tắc hành trình được sử dụng để kiểm soát và giám sát cácquá trình sản xuất

 Trong ngành ô tô, công tắc hành trình được sử dụng để giám sát vị trí của các bộ phậntrong hệ thống lái

 Trong ngành điện tử, công tắc hành trình được sử dụng để bảo vệ các thiết bị điện tửtránh khỏi việc quá tải điện

 Trong ngành dược phẩm, công tắc hành trình được sử dụng để kiểm soát các quátrình sản xuất và đóng gói sản phẩm

 Trong ngành năng lượng, công tắc hành trình được sử dụng để kiểm soát các quátrình sản xuất điện

2 Công tắc mức (Level Switches)

Công tắc mức và cảm biến mức gồm nhiều loại từ loại hoàn toàn điện tử đến loại cơkhí, với chức năng chính là phát hiện xem mức của chất lỏng có đạt đến một độ caonhất định hay không Việc phát hiện mức chất lỏng trong bể chứa là nhu cầu phổ biếntrong bất kỳ quy trình công nghiệp nào, lớn hay nhỏ Ví dụ, từ các bể lớn trong nhàmáy lọc hóa dầu đến các bể nhỏ trong nhà máy bia hoặc nhà máy xử lý nước, việcbiết liệu mức chất lỏng đã đạt đến giới hạn cao hay thấp là rất cần thiết

Các loại công tắc mức:

- Công tắc mức điện tử cho chất lỏng dẫn điện:

o Đây là các thiết bị điện tử csử dụng các điện cực để phát hiện xem mức củamột chất lỏng dẫn điện nằm giữa hai mức xác định theo nhu cầu ứng dụng Cónhiều ví dụ về chất lỏng dẫn điện trong các ứng dụng công nghiệp, chẳng hạnnhư nước, nước trái cây, sữa, bia, nước thải, axit, dung dịch kiềm, v.v

o Thiết bị chính bao gồm mạch cấp điện (230 V AC, 50 Hz) bao gồm việc giảmđiện áp xuống mức điện áp thấp cần thiết, mạch điện tử, các đầu nối điện cực

và đầu ra tiếp điểm SPDT

o Hoạt động của nó yêu cầu sử dụng ba điện cực, trong đó một điện cực (E3)nối đất và hai điện cực còn lại (E1, E2) đại diện cho giới hạn trên và dưới củamức chất lỏng Nếu bể chứa là kim loại, điện cực E3 có thể được kết nối vớibất kỳ điểm nào của cấu trúc kim loại và do đó không nhất thiết phải nhúng

- Công tắc mức điện dung:

o Các công tắc điện dung không thể sử dụng cho các chất lỏng không dẫn điệnhoặc vật liệu rắn Hệ thống đo lường của công tắc mức có khả năng phát hiệnchất lỏng cũng như vật liệu rời và dựa trên phương pháp đo điện dung

o Công tắc mức điện dung là một thiết bị thống nhất được lắp đặt hoàn toàn bênhông bể chứa, đúng vào điểm lý tưởng mà mức cần đạt đến

o Khi bể trống, điện dung (không khí là chất điện môi) là C(K1) Khi công tắcmức được bao phủ bởi vật liệu đóng vai trò như chất điện môi, điện dung sẽđược nhân với hằng số điện môi của vật liệu đó (K2) và cụ thể thay đổi thànhC’(K2) = e C(K1), trong đó e là một hằng số biểu thị sự khác biệt của hai hằng

số điện môi

- Cảm biến mức siêu âm:

o Các công tắc mức siêu âm và bộ chuyển đổi hoạt động trên cùng một nguyêntắc cơ bản là phát ra và nhận lại sóng siêu âm sau khi phản xạ từ mục tiêu,nhưng khác nhau ở loại đầu ra

o Các công tắc mức siêu âm có đầu ra tín hiệu số kiểu SPDT, trong khi các bộchuyển đổi mức siêu âm có khả năng đo mức không tiếp xúc thông qua mạchdựa trên vi xử lý và tạo ra tín hiệu đầu ra tương tự, thường là 4–20 mA

o Một số bộ chuyển đổi mức siêu âm cung cấp cả đầu ra chuyển đổi và đầu radòng, có nghĩa là chúng có thể được sử dụng như một công tắc mức hoặc nhưmột đồng hồ đo mức.

- Cảm biến mức radar:

o Phương pháp dựa trên thời gian trễ như đã mô tả trong phần trước có thể khóđạt được độ chính xác cao cho các khoảng thời gian nhỏ, do đó phương phápsóng liên tục điều chế tần số được sử dụng trong các cảm biến mức radar

o Tín hiệu radar được phát qua ăng-ten hướng về bề mặt chất lỏng là tín hiệu visóng với tần số liên tục thay đổi Khi tín hiệu phản xạ trở về máy nhận, nó sẽđược so sánh với tín hiệu phát ra

o Khi công tắc không bị bao phủ bởi chất lỏng, tia sáng hồng ngoại sẽ đượcphản xạ hoàn toàn trên bề mặt của hình cầu và dẫn đến bộ cảm biến Khi côngtắc bị bao phủ bởi chất lỏng trong suốt, ánh sáng hồng ngoại chủ yếu bị khúc

xạ vào chất lỏng và ít ánh sáng đến bộ cảm biến

Đặc điểm chung:

Các công tắc và cảm biến mức có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp khácnhau, từ phát hiện mức chất lỏng trong các bể chứa đến đo liên tục giá trị mức lỏng trongsilos hoặc bể chứa khác Chúng có khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường khácnhau và có thể điều chỉnh độ nhạy để phù hợp với nhiều loại chất lỏng và vật liệu khác nhau.Những công nghệ này giúp đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong các quy trình sản xuấtcông nghiệp

3 Công tắc dòng chảy (Flow Switches)

Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, việc phát hiện dòng chảy chất lỏng bên trongống là cần thiết Ví dụ, hệ thống làm mát cho các ổ bi của máy công nghiệp nặng yêucầu theo dõi dòng chảy để đảm bảo nước tuần hoàn Khi hệ thống làm mát gặp sự cố

do hỏng hóc của máy bơm nước, tín hiệu chuyển đổi từ cảm biến dòng chảy sẽ khiếnmáy ngừng hoạt động, bảo vệ máy móc và ngăn chặn bơm nước chạy khô gây thiệthại nghiêm trọng Thêm vào đó, nó cũng cho phép chỉ thị đơn giản hoặc hình ảnh hóa

vị trí lỗi Các công tắc dòng chảy có thể phát hiện một mức lưu lượng tối thiểu, trongkhi vẫn không phản ứng dưới giá trị cắt của chúng Các thiết bị giám sát dòng chảy

có thể được sử dụng cho cả chất lỏng và khí

Công tắc dòng chảy kiểu cánh

 Công tắc dòng chảy kiểu cánh là một cấu trúc hoàn toàn cơ khí, trong khi phần điệnduy nhất phụ thuộc vào các tiếp điểm điện của nó Như trong hình dưới, công tắchoạt động với việc sử dụng một cánh làm bằng thép không gỉ hoặc đồng được lắpvào trong ống Khi dòng chảy của chất lỏng đẩy cánh, hệ thống cánh sẽ quay đi.Chuyển động này thay đổi vị trí của một thanh tiếp xúc với cánh cam, và do đó kíchhoạt đầu ra tiếp điểm SPDT Khi dòng chảy bị ngắt, cánh sẽ trở về vị trí nghỉ ban đầu.Một số loại công tắc dòng chảy sử dụng một nam châm vĩnh cửu để kích hoạt và mộtcông tắc từ làm đầu ra tiếp điểm Công tắc dòng chảy kiểu cánh có thể được lắp đặttrên cả đường ống nằm ngang và thẳng đứng Công tắc dòng chảy của một số nhà sảnxuất có thể chấp nhận cánh có kích thước khác nhau tùy theo kích thước ống

Công tắc dòng chảy phân tán nhiệt

 Công tắc dòng chảy phân tán nhiệt hoạt động dựa trên nguyên tắc dẫn nhiệt Nhưtrong hình dưới, công tắc dòng chảy bao gồm hai cảm biến nhiệt điện trở (RTD) hoạtđộng như cảm biến nhiệt độ và hộp chứa

 Cảm biến RTD 1 không được gia nhiệt đo nhiệt độ của chất lỏng nơi mà đầu dò đượcnhúng Cảm biến RTD 2 được gia nhiệt từ một bộ gia nhiệt nhúng, công suất thấp vàkhông đổi do đó đo nhiệt độ của bộ gia nhiệt Điều này tạo ra một sự chênh lệch nhiệt

độ giữa hai cảm biến thay đổi theo sự tồn tại hoặc vắng mặt của dòng chảy, vì môitrường chảy làm nguội cảm biến được gia nhiệt Cụ thể, ở lưu lượng cao sự chênhlệch nhiệt độ thấp hơn do dòng chảy loại bỏ nhiều nhiệt; ở lưu lượng thấp sự chênhlệch nhiệt độ cao hơn vì dòng chảy loại bỏ ít nhiệt hơn

 Nguyên lý hoạt động của công tắc dòng chảy phân tán nhiệt dựa trên sự dẫn nhiệt.Hình ảnh nhiệt xung quanh cảm biến RTD 2 khi môi trường chảy ở trạng thái tĩnhhoặc đang chảy được trình bày trong hình 2.47b và 2.47c, minh họa nguyên lý phântán nhiệt Do đó, sự chênh lệch nhiệt độ tỷ lệ nghịch với lưu lượng và cung cấp mộttín hiệu sơ cấp được chuyển đổi thành đầu ra chuyển mạch relay SPDT

Ưu điểm của công tắc dòng chảy phân tán nhiệt: công tắc dòng chảy phân tán

nhiệt là không có bộ phận cơ khí chuyển động, cung cấp khả năng phát hiện dòngchảy và không dòng chảy chính xác và nhanh chóng So với công tắc dòng chảy kiểucánh truyền thống, công tắc dòng chảy phân tán nhiệt cung cấp độ nhạy cao hơn vàkhông bị giới hạn vị trí lắp đặt, đồng thời có khả năng phản ứng dưới lưu lượng thấp

- Ứng dụng của Flow Switch

Các loại công tắc dòng chảy được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy, xí nghiệphiện nay Với nhiều ưu điểm, đơn giản, dễ lắp đặt và sử dụng, giá thành rẻ, hiệu quảcao Các ứng dụng phổ biến thực tế như:

– Đo lưu lượng nước, dầu trong đường ống

– Hóa dầu, Nhà máy thủy điện, Nhà máy đóng tàu, Hệ thống HVAC, Công nghiệpthép

– Thực phẩm và Đồ uống, Dược phẩm, Quang học và Công nghiệp bán dẫn, Kiểmsoát lưu lượng ống làm mát Chọn ống nào mang chất lỏng khi cần đo lưu lượng.– Ngoài ra công tắc còn được sử dụng để bảo vệ máy bơm trong trường hợp máybơm chạy không tải gây quá nhiệt, cháy máy bơm

4 Công tắc nhiệt độ và áp suất (Temperature and Pressure Switches)

Công tắc nhiệt độ bimetal (Thermostat)

Đặc trưng: Cảm biến điện cơ học tiếp điểm, đơn giản, giá thành rẻ

Cấu tạo: Gồm dải bimetal được làm từ hai kim loại khác nhau, tạo ra một tiếp điểm điện.Ứng dụng: Sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp để ngắt hoặc điều chỉnh thiết bị khinhiệt độ vượt quá giới hạn

Position/Velocity

1 Giới thiệu về Biến trở

Biến trở (Potentiometer) là một linh kiện điện tử cho phép điều chỉnh điện trở một cách liêntục thông qua cơ cấu cơ khí Đây là một trong những cảm biến vị trí analog phổ biến nhất

2 Nguyên lý hoạt động

2.1 Cấu tạo cơ bản

 Thanh điện trở (resistive element)

 Con trượt (wiper/slider)

 Các đầu nối điện

 Vỏ bọc bảo vệ

2.2 Nguyên lý điện

Hoạt động dựa trên nguyên lý phân áp

Điện trở thay đổi tuyến tính theo vị trí

R = R_total × (x/L), trong đó:

R: Điện trở đo được

R_total: Điện trở tổng

x: Vị trí con trượt

L: Chiều dài toàn phần

3 Các loại Biến trở theo cấu tạo

3.1 Biến trở xoay (Rotary Potentiometer)

Góc xoay: thường từ 0° đến 270° hoặc 360°

 Có thể bị mòn theo thời gian

3.2 Biến trở thẳng (Linear Potentiometer)

Hành trình: phụ thuộc vào thiết kế, thường từ vài mm đến hàng trăm mm

 Đo vị trí xy lanh thủy lực/khí nén

 Điều khiển robot công nghiệp

 Đo góc quay trong động cơ servo

 Giám sát chuyển động tuyến tính

4.2 Ứng dụng điện tử tiêu dùng

 Điều chỉnh âm lượng

 Điều khiển game (joystick)

 Bộ điều chỉnh độ sáng đèn

 Cảm biến bàn đạp ga điện tử

5 Đặc tính kỹ thuật quan trọng

5.1 Thông số cơ bản

 Điện trở tổng (Total Resistance)

 Dung sai điện trở (Resistance Tolerance)

 Độ phân giải (Resolution)

 Đảm bảo căn chỉnh cơ khí chính xác

 Tránh tải cơ học quá mức

 Kiểm tra các điểm nối điện

6.2 Bảo trì

 Kiểm tra định kỳ độ mòn

 Làm sạch bụi bẩn

 Bôi trơn (nếu cần)

 Kiểm tra độ tuyến tính

7 Kết luận

Biến trở là một giải pháp đơn giản, hiệu quả và kinh tế cho các ứng dụng đo vị trí Mặc dù

có một số hạn chế về tuổi thọ cơ học, nhưng với việc lựa chọn, lắp đặt và bảo trì đúng cách,biến trở vẫn là một lựa chọn tốt cho nhiều ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng

Phân tích Cảm biến LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

1 Nguyên lý hoạt động

1.1 Cấu tạo cơ bản

Cuộn dây sơ cấp (Primary coil)

Hai cuộn dây thứ cấp (Secondary coils)

Lõi sắt từ di động (Ferromagnetic core)

Vỏ bọc bảo vệ

Thanh dẫn hướng

1.2 Nguyên lý điện từ

Dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ

Tín hiệu vào AC kích thích cuộn sơ cấp

Lõi từ di chuyển làm thay đổi từ thông

Điện áp ra tỷ lệ với vị trí lõi từ

Tuổi thọ có thể đạt hàng triệu chu kỳ

Độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt

2.3 Đặc tính kỹ thuật tốt

Khả năng chống nhiễu điện từ tốt

Hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt

Chống rung và sốc tốt

Khả năng chống bụi và ẩm cao

3 Hạn chế