Môn học: Thí nghiệm điều khiển tự động hóa doc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ #" MÔN HỌC THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GIẢNG VIÊN: ThS. ĐỒNG SỈ THIÊN CHÂU CHƯƠNG I: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA ĐO LƯỜNG - Dụng cụ đo lường (instrument) là một thiết bò biến đổi đại lượng vật lý cần đo (measurand) thành một đại lượng thích hợp tương đương có thể ghi lại được (measurement). Đại lượng đo thường được sử dụng trong một hệ thống đơn vò (units) tiêu chuẩn để có thể so sánh giữa dụng cụ đo này với dụng cụ đo khác. VD: Dụng cụ đo: thước đo chiều dài. Đại lượng cần đo: chiều dài của đối tượng. Đại lượng đo được: số đo theo đơn vò chiều dài (mm, cm, m…) biểu diễn chiều dài của đối tượng. 1. MÔ HÌNH DỤNG CỤ ĐO ĐƠN GIẢN: Hình 1.1 biểu diễn mô hình thông thường của một dụng cụ đo đơn giản. Nó bao gồm đại lượng vật lý cần đo và đại lượng đo được được biểu diễn bởi biến vật lý có thể quan sát được X. Biến vật lý X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo nhưng có mối liên hệ với đại lượng cần đo theo một mối quan hệ nào đó. Phần tử chức năng chủ yếu của mô hình dụng cụ đo trong hình 1.1 là cảm biến (sensor), nó có chức năng biến đổi đại lượng ngõ vào vật lý thành một biến tín hiệu ngõ ra (signal variable output). Các biến tín hiệu có tính chất là chúng có thể được thao tác trong một hệ thống truyền, như một mạch điện hay một hệ thống cơ khí. Bởi tính chất này nên biến tín hiệu có thể được truyền tới thiết bò ngõ ra hay thiết bò ghi ở gần hay xa bằng phương pháp vô tuyến hay hữu tuyến từ cảm biến. Trong các mạch điện, tín hiệu điện áp là tín hiệu phổ biến. Trong các hệ thống cơ khí, độ dòch chuyển hay lực là tín hiệu thường được sử dụng phổ biến. Bảng 1.1 trình bày các biến vật lý và các biến tín hiệu thường gặp. Tín hiệu ngõ ra từ cảm biến có thể được hiển thò, được ghi lại hay được truyền tới một thiết bò hay hệ thống thứ cấp khác. Trong một dụng cụ đo cơ bản, biến tín hiệu thượng được hiển thò, ghi lại mà con người có thể quan sát được. Ngõ ra được quan sát gọi là M. Có nhiều kiểu thiết bò hiển thò, từ các cân trọng lượng đơn giản đến các thiết bò hiển thò phức tạp trên máy tính. Tín hiệu cũng có thể sử dụng trực tiếp bởi một số hệ thống lớn hơn mà dụng cụ đo là một phần tử trong hệ thống đó. Ví dụ: tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu ngõ vào của một hệ thống điều khiển vòng kín (closed loop control system). Nếu tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhỏ (dòng, áp…), cần phải khuếch đại tín hiệu như trong hình 1.2. Tín hiệu ngõ ra sau khi đã khuếch đại được đưa tới các thiết bò hiển thò hay thiết bò ghi tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Trong nhiều trường hợp, tín hiệu này phải được biến đổi thành tín hiệu số để có thể giao tiếp với máy tính hay các hệ thống vi điều khiển khác. Nếu tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu analog, cần thực hiện biến đổi thành tín hiệu số sử dụng bộ biến đổi ADC như trong hình 1.2. II. CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG (PASSIVE) VÀ CẢM BIẾN TÍCH CỰC (ACTIVE) - Cảm biến (sensor) thông thường là các bộ chuyển đổi (transducers), trong đó nó là các thiết bò chuyển đổi từ một dạng năng lượng ngõ vào thành một dạng năng lượng ngõ ra khác. Cảm biến có thể được chia thành 2 loại: cảm biến thụ động và cảm biến tích cực phụ thuộc vào cách chúng tương tác với môi trường hoạt động của chúng. - Cảm biến thụ động (passive sensors): không cần cung cấp thêm năng lượng trong quá trình đo nhưng có thể loại bỏ năng lượng trong hoạt động của chúng. VD: Thermocouple: biến đổi nhiệt độ thành điện áp. Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ được biến đổi thành điện áp nhiệt điện, chính là ngõ ra của cảm biến này. Một VD khác là pressure gage, áp suất Ỉ lực tác động vào hệ thống cơ khí Ỉ gây nên độ dòch chuyển, đây chính là tín hiệu ngõ ra của cảm biến. - Cảm biến tích cực (Active sensors): cần cung cấp thêm năng lượng trong quá trình đo. VD: trong một hệ thống Radar hay siêu âm, khoảng cách tới một số đối tượng được đo bằng cách gửi đi một sóng radio hay sóng siêu âm và thu sóng phản xạ về từ đối tượng, từ đó đo khoảng cách từ đối tượng tới cảm biến. III. CHUẨN HÓA CẢM BIẾN (CALIBRATION) Mối quan hệ giữa ngõ vào vật lý với ngõ ra của cảm biến được xem như chuẩn của cảm biến. Thông thường, một cảm biến được đònh chuẩn bằng cách cung cấp một tín hiệu ngõ vào đã biết và đo tín hiệu ngõ ra. Dữ liệu đo được và đặc tuyến chuẩn của cảm biến được vẽ trên cùng một đồ thò như hình sau: Trong VD này, cảm biến có một đáp ứng gần như tuyến tính đối với các ngõ vào có giá trò nhỏ hơn X0. Độ nhạy (Sensitivity) của thiết bò được xác đònh bởi độ dốc (slope) của đường đặc tuyến. Trong VD trên, với các giá trò ngõ vào lớn hơn X0, độ dốc của đường đặc tuyến trở nên nhỏ hơn cho đến khi nó đạt một giới hạn của ngõ ra. Trường hợp này được gọi là bão hòa (saturation), và lúc này cảm biến không thể sử dụng để biến đổi những giá trò lớn hơn giá trò bão hòa của nó. Trong một số trường hợp, cảm biến không đáp ứng với các giá trò ngõ vào rất nhỏ. Hiệu của giá trò ngõ vào lớn nhất và giá trò ngõ vào nhỏ nhất mà cảm biến làm việc hiệu quả được gọi là tầm động (dynamic range) của cảm biến. IV. HIỆU CHỈNH VÀ GIAO THOA NGÕ VÀO Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến sẽ bò ảnh hưởng do các tín hiệu ngõ vào không phải là đối tượng cần đo. Trong hình 1.4, X là tín hiệu ngõ cần đo, Y là tín hiệu ngõ vào giao thoa (interfering input) và Z là ngõ vào hiệu chỉnh (modifying input). Ngõ vào Y sẽ làm ảnh hưởng, gây ra sai số ở ngõ ra do cảm biến đáp ứng với cả tín hiệu ngõ vào X và Y. ngõ vào hiệu chỉnh Z làm thay đổi hoạt động của cảm biến hay hệ thống đo, do đó hiệu chỉnh mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra và đònh chuẩn hoạt động của thiết bò. [...]... hưởng của ngõ vào hiệu chỉnh với các giá trò khác nhau Do đó, cần chọn lựa ngõ vào Z phù hợp nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của ngõ vào giao thoa ở ngõ vào, chuẩn hóa hoạt động của thiết bò V ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ SAI SỐ: Độ chính xác của thiết bò được đònh nghóa là sự khác biệt giữa giá trò đúng của đại lượng cần đo và giá trò đo được của đại lượng đó bởi dụng cụ đo Đối với bất kỳ dụng cụ đo nào cũng có sai số... nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn (SPRT: Standard Platinium Resister Thermometer) là loại RTD có độ chính xác cao nhất, chúng rất dễ vỡ, mỏng manh và được sử dụng chủ yếu trong phòng thí nghiệm Do nó mỏng manh, điện trở bò dao động nên nó không đủ độ bền để sử dụng trong môi trường công nghiệp SPRT có độ chính xác lặp cao, độ trôi thấp nhưng giá thành nó rất cao do vật liệu chế tạo và công nghệ chế tạo... bởi dòng điện và phân phối lại trong một mạch điện Hiệu ứng Seebeck Hiệu ứng Seebeck là sự xuất hiện của một nguồn sức điện động, gọi là sức điện động Seebeck tuyệt đối , giữa 2 điểm trong bất kỳ vật liệu dẫn điện riêng biệt nào do sự khác biệt về nhiệt độ giữa chúng Sức điện động Seebeck xuất hiện mà không cần phải trên 2 vật liệu khác biệt nhau Nó không phải là một hiện tượng tiếp xúc, cũng không... [V/đơn vò nhiệt độ] của hiệu ứng Seebeck Nó được đònh nghóa trên bất kỳ miền nhiệt điện đồng nhất nào của một vật dẫn riêng biệt nào đó Hệ số Seebeck biểu diễn tính chất vận chuyển của tất cả các vật liệu dẫn điện Với ΔΕ là độ biến thiên sức điện động giữa 2 điểm với bất kỳ khoảng cách nào, giữa chúng có độ chênh lệch về nhiệt độ là Sức điện động Seebeck của mỗi loại vật liệu chỉ phụ thuộc vào nhiệt... vật liệu đó là sức điện động Seebeck tuyệt đối EM (T ) là một yếu tố vật lý tồn tại nhưng không thể dễ dàng quan sát Hệ số Seebeck tuyệt đối có thể xác đònh gián tiếp bằng cách đo hệ số Thompson τ của vật liệu đó và sử dụng mối quan hệ Kelvin, nhằm mục đích giảm các tính toán động học nhiệt liên quan đến hệ số Seebeck Các tính chất Seebeck tương đối: Sự khác nhau giữa sức điện động Seebeck của 2 phần... thực tế, mạch cặp nhiệt không chỉ có 2 vật liệu khác nhau mà có một số vật liệu, và tạo ra một số sức điện động Seebeck Các mạch đo nhiệt phổ biến nhất có 2 tiếp xúc chuẩn riêng biệt -Với các cặp nhiệt sử dụng nhiệt độ chuẩn Tf khác T0, cần phải cộng thêm một sức điện động tương đương vào sức điện động của cặp nhiệt -Trong thực tế, có 2 loại cặp nhiệt thường được sử dụng phổ biến là: cặp nhiệt 1 tiếp... độ Tm, và cả 2 đầu cuối của chúng ở một nhiệt độ chuẩn vật lý, Tf, là sức điện động Seebeck tương đối, Hệ số Seebeck tương đối tương ứng là Các giá trò tương đối này có thể quan sát trực tiếp, do đó nó thường được sử dung trong các đồng hồ đo nhiệt Các giá trò tương đối này thường được biểu diễn ở dạng bảng của sức điện động Seebeck theo nhiệt độ cần đo, Tm, với một nhiệt độ chuẩn Tf nào đó Trong thực... đo, còn tiếp xúc còn lại ở nhiệt độ Tf, gọi là tiếp xúc chuẩn Sức điện động Seebeck tỷ lệ với sự khác biệt nhiệt độ giữa 2 tiếp xúcvà tỷ lệ với hệ số tương đối của 2 vật liệu Đặc tính của hiện tượng Seebeck sẽ không còn đúng khi xuất hiện dòng điện trong vòng kín Tính chất đúng của hiện tượng Seebeck là xuất hiện một nguồn sức điện động, trong các đồng hồ đo chính xác, phải được đo ở chế độ vòng hở Trong... hoặc 0.25Ω SPRT có thể có độ chính xác ±0.00010C nếu được sử dụng hợp lý - Với loại Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn thứ cấp (Secondary SPRT), chúng cũng thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm Cấu tạo của chúng cũng giống như SPRT, tuy nhiên vật liệu dùng để chế tạo rẻ hơn, vỏ kim loại và kết hợp với sứ cách điện Các đầu dây bên trong thường sử dụng hợp kim nickel II CẢM BIẾN NHIỆT... theo nhiệt độ thì tuyến tính hơn nhiều so với RTD và cặp nhiệt Ngoài ra, phần tử cảm ứng nhiệt, mạch có thể dễ dàng tích hợp để tạo ra một cảm biến nhiệt đơn khối, dễ dàng giao tiếp với các phần tử điều khiển hoặc các ứng dụng khác 2 Sử dụng Transistor làm cảm biến nhiệt - 3 Các tính chất nhiệt của Bán dẫn . TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ #" MÔN HỌC THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GIẢNG VIÊN: ThS. ĐỒNG SỈ THIÊN CHÂU CHƯƠNG I: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA. thống vi điều khiển khác. Nếu tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu analog, cần thực hiện biến đổi thành tín hiệu số sử dụng bộ biến đổi ADC như trong hình 1.2. II. CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG (PASSIVE). thể được chia thành 2 loại: cảm biến thụ động và cảm biến tích cực phụ thuộc vào cách chúng tương tác với môi trường hoạt động của chúng. - Cảm biến thụ động (passive sensors): không cần cung