BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSO - CHƯƠNG 3 ppt

http://www.ebook.edu.vn 14 Ta có: 1T T T RR UR U + = Xét khi có biến dạng (sự dao động với tần số cao) () () 1 1sin 1sin R TTo To R t UUR R Rt + = ++ , là tần số dao động của đối tợng Thông thờng R <<1 sin To R To RtR Ta có: 11 sin To To R T To To R Rt UU U RR RR =+ ++ Vì điện áp ra lấy thành phần một chiều cho nên 1 sin RTo ra To UR t U RR = + 3. Sai số và ứng dụng Chuyển đổi tenzo đợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật dùng để đo lực biến dạng, lực mômen, gia tốc, áp xuất. Do cấu tạo đơn giản, có kích thớc nhỏ nên các chuyển đổi tenzo đợc dùng để đo trên các chi tiết có nhiều hình dạng khác nhau của máy móc và thiết bị. Có thể dùng để đo các biến thiên nhanh nh độ chấn động. Để giảm sai số đòi hỏi phải có một công nghệ dán và vị trí dán thích hợp , lúc đó sai số có thể giảm < 5% Chơng 3. Chuyển đổi điện từ Là chuyển đổi trong đó đại lợng không điện (thờng là các di chuyển thẳng hay góc ) dẫn đến thay đổi điện cảm, hỗ cảm hoặc xuất hiện sức điện động cảm ứng ở cuộn dây. http://www.ebook.edu.vn 15 Bài 1. Chuyển đổi điện cảm Chuyển đổi điện cảm là chuyển đổi biến đổi giá trị đại lợng đo thành trị số điện cảm a. Một số loại chuyển đổi thờng gặp nh sau: Hình 3.14 Một số chuyển đổi điện cảm thờng gặp -Hình a là chuyển đổi đơn khá phổ biến, dới tác dụng của đại lợng cơ học P ví dụ nh lực, áp xuất, sự di chuyển v.v sẽ làm thay đổi khe hở không khí nên làm thay đổi từ trở toàn bộ mạch từ. Nh vậy sẽ làm thay đổi tổng trở Z cũng nh điện cảm L của cuộn dây. Hình b, c dới tác dụng của đại lợng cơ học P sẽ làm thay đổi khe hở không khí . Chuyển đổi này thờng dùng để đo những di chuyển từ 5 ữ 20mm hoặc di chuyển góc. Hình d là chuyển đổi làm thay đổi dòng điện xoáy, gồm một cuộn dây không lõi thép đợc mắc vào điện áp có tần số rất cao(cỡ vài Mhz). Khi ta di chuyển tấm kim loại hoặc vòng dây ngắn mạch sẽ làm thay đổi tổn hao từ trong cuộn dây, do vậy điện cảm L của cuộn dây cũng thay đổi theo. Hình a, b, c, d còn gọi là chuyển đổi điện từ đơn. Hình e là chuyển đổi làm thay đổi khe hở không khí kiểu vi sai, gồm hai cuộn dây giống hệt nhau. Khi chuyển đổi cha làm việc thì: 1 = 2 = 0 , Z 1 = Z 2 =Z 0 Nếu chuyển đổi làm việc thì: 1 2 , Z 1 = Z 0 Z, Z 2 = Z Z b. Tính năng của chuyển đổi điện cảm Nếu ta bỏ qua từ trở của mạch từ thì: (a) W W P (c) (b) R U (d) (e) P 1 2 P http://www.ebook.edu.vn 16 == Sw R w L 2 0 2 , với S R 0 = w: là số vòng dây, 0 = 4.10-7 là hệ số dẫn từ của không khí, là chiều dài khe hở không khí, S tiết diện hiệu dụng của khe hở không khí, R là từ trở của khe hở không khí Vậy L phụ thuộc vào S và , sự biến thiên của L theo S và nh sau: Ta có: + = d L dS S L dL với lợng thay đổi hữu hạn và S thì + = 2 0 0 2 0 0 2 0 )( Sw S w L Trong đó S 0 , 0 là giá trị ban đầu của S và khi chuyển đổi cha làm việc +Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi ( = 0 =const) S s = const S L S Sww L 0 0 00 00 2 0 0 2 == = = Với L 0 = 0 0 2 0 Sw là giá trị điện cảm ban đầu của chuyển đổi + Độ nhạy của chuyển đổi khi thay đổi là (S = S 0 =const): () 2 0 0 0 2 0 0 2 0 1 LSw L S + = + = = Ta thấy độ nhạy của chuyển đổi phụ thuộc vào 0 Nhận xét: Độ nhạy của chuyển đổi khi S thay đổi bằng hằng số, còn khi thay đổi thì phụ thuộc vào 0 , vậy quan hệ giữa L=f() là phi tuyến. Thực tế cho thấy quan hệ L = f() là tuyến tính khi 0 0.2 đối với chuyển đổi đơn, và 0 0.4 đối với chuyển đổi vi sai. http://www.ebook.edu.vn 17 Hình 3.15 Quan hệ giữa điện cảm và sự biến thiên của chuyển đổi điện cảm c. Mạch đo của chuyển đổi Sự biến thiên điện cảm sẽ làm biến thiên trở kháng trong toàn mạch. Mạch đo có nhiệm vụ biến đổi tiếp tín hiệu thành đại lợng điện đủ lớn để có thể phát ra các tín hiệu khống chế một cách chắc chắn, biến thiên điện cảm trong mạch có thể dẫn đến biến thiên về biên độ hoặc pha hoặc tần số của điện áp hay dòng điện đầu ra. Mạch đo có tên tơng ứng là mạch điều biên, điều pha hoặc điều tần. Ta sẽ nghiên cứu mạch thông dụng là mạch điều biên. Mạch này thờng là mạch cầu vi sai nh sau: Z 1 , Z 2 là trở kháng của chuyển đổi vi sai. Z b là trở kháng phối hợp với Z 1 và Z 2 Z 0 trở kháng của dụng cụ đo. U nguồn cung cấp, +Khi trục đo nằm ở vị trí cân bằng 1 = 2 = 0, Z 1 = Z 2 = Z Cầu cân bằng và U ra = 0 +Khi trục đo lệch khỏi vị trí cân bằng tức là 1 và 2 biến thiên ngợc nhau 1 lợng là , khi đó Z 1 và Z 2 cũng biến thiên một lợng là Z. Ta giả sử Z 1 = Z + Z, Z 2 = Z - Z Ta đi tìm quan hệ giữa sự biến thiên của điện áp U r theo sự biến thiên Z nh sau: + Gọi U h là điện áp khi hở mạch đo ( Z 0 = ) b b b b h Z)ZZ( EZ Z)ZZ( EZ U ++ + = 0 L L = f() Chuyển đổi đơn L 1 -L 2 =f 3 () L L 1 = f 1 () Chuyển đổi vi sai L 2 = f 2 () U r Z 1 Z 2 Z b Z b E Z 0 U h Hình 3.16 Mạch cầu vi sai chuyển đổi điện cảm http://www.ebook.edu.vn 18 ()() 22 b 2 bbb 2 bbb ZZZ EZZEZZEZEZZEZZEZ + +++ = = ()()() 2 b b 22 b b ZZ ZEZ2 ZZZ ZEZ2 + + = () 2 b b ZZ ZEZ2 + + Gọi U z là điện áp rơi trên các phần tử của chuyển đổi vi sai khi chuyển đổi cha làm việc: U z = b ZZ EZ + Vậy ta có U h = () ZZZ ZUZ2 b zb + + Trở kháng trong của cầu Z i = b2 b2 b1 b1 ZZ ZZ ZZ ZZ + + + Thay Z 1 = Z + Z, Z 2 = Z - Z, quy đồng mẫu số và rút gọn ta đợc Z i = () 2 2 b 2 b 2 bb 2 ZZZ Z Z2ZZ2ZZ2 + + Vì Z khá nhỏ cho nên ta có thể bỏ qua Z 2 Z i () () b b 2 b bb ZZ ZZ2 ZZ ZZZZ2 + = + + +Quan hệ giữa dòng điện I 0 và điện áp U ra theo sự biến thiên Z là: Vậy I 0 = 0i z b b 0i 0 ZZ 1 U Z Z ZZ Z2 ZZ U + + = + Hay Z 0i 0 b b 00ra ' 0 U Z Z ZZ Z ZZ Z2 ZIUU ++ === + Độ nhạy về dòng và áp của cầu: z 0i0 b0 SI U ZZ 1 ZZ Z2 ZZ I K ++ = = ' 00 00 2 . b SU z o SI i UZZ KUZK ZZ Z Z Z Z == = ++ Bằng cách tính tơng tự ta có thể tính đợc độ nhạy dòng và áp của nhiều mạch chuyển đổi d. Ưu nhợc điểm và ứng dụng Z 0 U h I 0 Z 1 Z 2 Z b Z b Hình 3.17 Mạch thay thế của chuyển đổi vi sai http://www.ebook.edu.vn 19 Nhợc điểm của chuyển đổi điện cảm là phản tác dụng lên đối tợng đo rất lớn. Tuy nhiên nó vẫn đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo các di chuyển từ vài chục m đến vài chục cm. Ngoài ra còn dùng để đo lực, áp xuất, độ bóng của chi tiết. Chuyển đổi điện cảm dễ mắc sai số do điện áp nguồn thay đổi, tần số, nhiệt độ thay đổi. Vì vậy khi thiết kế ta phải chú ý đến ảnh hởng của các yếu tố trên. http://www.ebook.edu.vn 20 Bài 2. Chuyển đổi hỗ cảm Là chuyển đổi biến giá trị đo thành trị số hỗ cảm a. Một số loại chuyển đổi hỗ cảm thờng gặp: Hình 3.18 Một số chuyển đổi hỗ cảm Hình a là chuyển đổi biến áp có lõi di động, cuộn dây w 1 đợc cung cấp bằng nguồn xoay chiều. Khi đại lợng cơ học P tác dụng lên chuyển đổi thì sẽ làm cho từ trở của khe hở không khí thay đôỉ dẫn tới từ trở của mạch từ thay đổi, điều này làm cho từ thông móc vòng qua mạch từ thay đổi làm xuất hiện sự thay đổi sức điện động E ở cuộn dây w 2 Hình b: dới tác dụng của đại lợng đo sẽ làm di chuyển vòng ngắn mạch, từ thông móc vòng qua vòng dây nhiều hay ít tuỳ thuộc vào vị trí của nó trong khe hở không khí. Vì vậy khi di chuyển vòng ngắn mạch sẽ làm cho từ thông chính móc vòng qua các cuộn dây w 1 và w 2 thay đổi nên dẫn tới E 2 thay đổi Hình c: là chuyển đổi vi sai kiểu thay đổi khe hở không khí , khi P tác dụng lên chuyển đổi sẽ làm cho 1 và 2 biến thiên ngợc nhau, do vậy từ trở của hai mạch từ thay đổi ngợc nhau, dẫn đến làm cho E 1 và E 2 biến thiên ngợc nhau. b. Tính năng của chuyển đổi hỗ cảm Khi chiều dài hoặc tiết diện khe hở không khí thay đổi làm cho từ thông của mạch từ thay đổi và xuất hiện sức điện động e. Ta biết rằng sức điện động E sinh ra trên cuộn dây w 2 do từ thông móc vòng qua là: Từ thông tức thời đợc tính nh sau: == Siw R iw 01 1 t i là giá trị dòng tức thời trong cuộn dây kích thích w 1 P E U x W 2 E W 1 U U U x a b d E 1 E 2 http://www.ebook.edu.vn 21 Sức điện động tạo thành trong cuộn dây đo w 2 dt di Sww dt d we 012t 2 = = w 2 là số vòng dây cuộn dây đo Khi làm việc với dòng xoay chiều i = I m sint Ta có: tcosI Sww e m 012 = Giá trị hiệu dụng của sức điện động = = S KI Sww E 012 Đây là phơng trình của chuyển đổi hỗ cảm, I là giá trị hiệu dụng của dòng điện Với K = w 1 w 2 0 I Với w 1 , w 2 , 0 , và I bằng hằng số ta có: + = d E ds S E dE Hay () 2 0 0 KS S KE + = Độ nhạy của chuyển đổi khi chiều dài khe hở không khí thay đổi là (S =const): 2 0 0 0 2 0 2 0 1 E 1 KSE S + = + = = Độ nhạy khi tiết diện khi khe khí thay đổi ( = const) 0 0 0 s S E K S E S = = = Với 0 0 0 KS E = là sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn dây đo w 2 khi X v =0 Nhận xét: Độ nhạy của chuyển đổi khi S thay đổi bằng hằng số, còn khi thay đổi thì phụ thuộc vào tỷ số 0 http://www.ebook.edu.vn 22 c. Mạch đo và ứng dụng Đa số mạch đo của chuyển đổi hỗ cảm giống nh chuyển đổi điện cảm, trong đó chủ yếu ngời ta sử dụng mạch cầu. Ngoài ra thực tế ngời ta còn dùng mạch cầu nh sau (cầu vi sai 6 nhánh): Điện trở R c và C dùng để cân bằng thành phần ảo (góc pha). R 0 cân bằng thành phần thực (biên độ). R 0 << R, chỉ thị là dụng cụ từ điện. Đối với các chuyển đổi hỗ cảm ngời ta thờng dùng phơng pháp đo điện áp xoay chiều. Sai số: gây ra sai số nếu nguồn điện không ổn định. Điện áp nguồn thay đổi 1% dẫn đến sai số 1% Tần số thay đổi 1% gây ra sai số 0.2% ứng dụng: Đo các đại lợng không điện khác nhau tuỳ theo cấu trúc của từng loại chuyển đổi, có thể đo di chuyển từ vài chục m đến vài cm để đo chiều dài lớp phủ, độ bóng của chi tiết gia công Bài 3. Chuyển đổi áp từ a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Chuyển đổi áp từ là một dạng của chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm. Khác với hai loại trên mạch từ của chuyển đổi áp từ là mạch kín. Nguyên lý làm việc của chuyển đổi áp từ dựa trên hiệu ứng áp từ a b c Hình 3.20 Một số chuyển đổi áp từ F x w 2 w 1 F x U~ E R R 0 R R c L + L C ~U ~ Hình 3.19 Mạch cầu vi sai 6 nhánh http://www.ebook.edu.vn 23 Hiệu ứng áp từ là hiện tợng mà dới tác dụng của đại lợng cơ học sẽ làm cho hệ số dẫn từ và một số tính chất khác của vật liệu từ thay đổi dẫn đến thay đổi tổng trở của chuyển đổi. Một số dạng của chuyển đổi áp từ nh trên Hình 3.20 a và hình 3.20 b là chuyển đổi áp từ kiểu điện cảm và hỗ cảm, nó thờng dùng để đo các lực rất lớn, dới tác dụng của lực cơ học F x sẽ làm cho độ dẫn từ của vật liệu sắt từ thay đổi dẫn đến thay đổi từ trở mạch từ R làm cho tổng trở thayđổi cũng nh điện cảm thay đổi. Hình 3.20 c là chuyển đổi áp từ dòng xoay chiều dạng biến áp. Sức điện động của cuộn thứ cấp phụ thuộc vào sự hỗ cảm giữa hai cuộn dây mà chính là do sự biến thiên hệ số của lõi thép. Các cuộn dây w 1 và w 2 của chuyển đổi đợc quấn trên một 1 lõi sắt từ đặc và đợc bố trí đặt vuông góc với nhau. Cuộn dây w 1 đợc cung cấp bằng nguồn xoay chiều điện áp U. Khi lực tác dụng F x = 0 đờng sức từ của cuộn w 1 đợc bố trí đối xứng nên sẽ không móc vòng qua cuộn w 2 làm cho E 2 =0. Khi F x 0 (có lực tác dụng) do sự thay đổi của từ thẩm nên từ trờng của cuộn dây w 1 mất đối xứng vì vậy nó sẽ móc vòng qua cuộn w 2 nên tạo ra E 2 0 và phụ thuộc vào lực tác dụng F x b. Tính năng của chuyển đổi áp từ Vì chuyển đổi này luôn có mạch từ kín. Vì vậy điện trở của cuộn dây rất nhỏ so với trở kháng của nó (R < 5% X L ). Vì vậy ta có thể bỏ qua, cho nên ta có, bỏ qua tổn hao dòng xoáy và từ trễ, điện cảm của chuyển đổi áp từ sẽ là: l Sw R w L 22 == (*) w: số vòng cuộn dây, R là từ trở của mạch từ, S là tiết diện cắt ngang mạch từ, l là chiều dài trung bình của đờng sức từ, độ từ thẩm của lõi thép Từ (*) ta có (với w= const) dl l L dS S L d L dL + + = () + + = + + = 2 0 2 222 l l 1l l S S L ll lSw l Sw l Sw L Với L 0 = l Sw 2 : giá trị điện cảm ban đầu khi cha có lực tác dụng [...]... 1 N S 1 S Hình 3. 22 Một số chuyển đổi cảm ứng Hình 3. 22 a là loại thay đổi từ thông bằng cách thay đổi vị trí của cuộn dây trong từ trờng, hình 3. 22 b là loại thay đổi từ trở của mạch từ, hình 3. 22 c là loại thay đổi từ thông bằng cách thay đổi hệ số dẫn từ dới hiện tợng áp từ +Đối với chuyển đổi có cuộn dây chuyển động trong từ trờng thì sức điện động cảm ứng là: e = -Bl dx dx dx = -BDW = S1 dt dt... các lực lớn tới 10N Đo áp xuất trong các điều kiện khắc nghiệt (công nghiệp dầu khí) Mặc dù gặp sai sô lớn nhng cấu tạo đơn giản làm việc tin cậy nên chuyển đổi này thờng đợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật Bài 4 Chuyển đổi cảm ứng a Cấu tạo và nguyên lý làm việc Đây là chuyển đổi phát điện Nguyên lý làm việc của nó là đại lợng không điện làm thay đổi từ thông móc vòng qua các cuộn dây nên tạo ra sức... hạn biến dạng đàn hồi cho nên: Sl =S - (Kp + 1) Thông thờng S 200 do vậy S >> Kp Với độ chính xác tơng đối, có thể coi độ nhạy tơng đối của chuyển đổi nh sau: Sl = / = S l / l Tổng trở của chuyển đổi: Z = L = w 2 S l Tơng tự độ nhạy của chuyển đổi áp từ đối với tổng trở Z bằng độ nhạy áp từ của nó: SZ = Z / Z = S l = S l / l Các hệ số Kp, S tra trong sổ tay kỹ thuật c Mạch đo, sai số và ứng dụng... quan hệ này X (p) Sức điện động e trong mạch đợc tính e = (R + Rt)i + L di dt L e Chuyển sang toán tử Laplatxơ R Rt Ura E(p) = (R + Rt)I(p) + pLI(p) Và Ura(p) = Rt I(p) I(p) = E(p) = U ra ( p) Rt Hình 3. 23 Mạch thay thế chuyển đổi cảm ứng U ra ( p ) [(R + R t ) + pL ] Rt Theo phần 1 ta có vì e = S dx E ( p) = SpX ( p) dt http://www.ebook.edu.vn 27 SpX(p) = Suy ra U ra (p) [(R + R t ) + pL] Rt U ra (p)... Chuyển đổi cảm ứng có độ nhạy rất cao, vì vậy có thể dùng để đo đợc những di chuyển nhỏ nh là tốc độ, gia tốc và các đại lợng biến thiên khác Tuy nhiên chuyển đổi này đợc ứng dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật để đo độ chấn động Sai số của chuyển đổi cảm ứng khá nhỏ Sai số của loại cuộn dây chuyển động trong từ trờng nam châm vĩnh cửu là (0.2 ữ 0.5)% http://www.ebook.edu.vn 28 ... CĐ1 Mạch đo của chuyển đổi áp từ giống nh mạch đo của chuyển đổi điện cảm và chuyển đổi hỗ V CĐ2 cảm song nó có thể đo đợc các đaị lợng biến thiên nhanh tới hàng chục KHz Ví dụ: Sơ đồ cầu nh sau Hình 3. 21 Mạch đo của chuyển đổi áp từ http://www.ebook.edu.vn 24 Nguyên nhân gây ra sai số cơ bản là do hiện tợng từ trễ trong quá trình tăng tải và giảm tải Sự biến thiên của hệ số dẫn từ = f (Fx ) trong... nhạy của chuyển đổi http://www.ebook.edu.vn 26 F: sức từ động của nam châm điện +Đối với chuyển đổi làm thay đổi hệ số dẫn từ và do đó làm thay đổi từ trở mạch từ: dl11 ' df = S x dt dt e = S l 1-1 là chiều dài đoạn mạch từ bị biến dạng S và S độ nhạy tơng ứng khi l thay đổi và fx thay đổi Tổng quát ta có phơng trình của chuyển đổi cảm ứng là: e=S dx dt S: là độ nhạy phụ thuộc cấu trúc của chuyển . Hình 3. 22 Một số chuyển đổi cảm ứng Hình 3. 22 a là loại thay đổi từ thông bằng cách thay đổi vị trí của cuộn dây trong từ trờng, hình 3. 22 b là loại thay đổi từ trở của mạch từ, hình 3. 22 c. L L = f() Chuyển đổi đơn L 1 -L 2 =f 3 () L L 1 = f 1 () Chuyển đổi vi sai L 2 = f 2 () U r Z 1 Z 2 Z b Z b E Z 0 U h Hình 3. 16 Mạch cầu vi sai chuyển đổi điện cảm. từ a b c Hình 3. 20 Một số chuyển đổi áp từ F x w 2 w 1 F x U~ E R R 0 R R c L + L C ~U ~ Hình 3. 19 Mạch cầu vi sai 6 nhánh http://www.ebook.edu.vn 23 Hiệu ứng áp từ là