Môn học: Thí nghiệm điều khiển tự động hóa doc

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 outp

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 bị 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 vị (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 vị 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 bị ngõ ra hay thiết bị 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 dịch 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 thị, được ghi lại hay được truyền tới một thiết bị hay hệ thống thứ cấp khác Trong một dụng cụ đo cơ bản, biến tín hiệu thượng

được hiển thị, ghi lại mà con người có thể quan sát được Ngõ

ra được quan sát gọi là M Có nhiều kiểu thiết bị hiển thị, từ các cân trọng lượng đơn giản đến các thiết bị hiển thị 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 bị hiển thị hay thiết bị 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 bị 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 dịch

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 định 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 thị như hình sau:

Trong VD này, cảm biến có một đáp ứng gần như

tuyến tính đối với các ngõ vào có giá trị nhỏ hơn X0 Độ nhạy (Sensitivity) của thiết bị được xác định bởi độ dốc (slope) của đường đặc tuyến Trong VD trên, với các giá trị 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 trị lớn hơn giá trị bão

hòa của nó Trong một số trường hợp, cảm biến

không đáp ứng với các giá trị ngõ vào rất nhỏ Hiệu của giá trị ngõ vào lớn nhất và giá trị 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 bị 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 định chuẩn hoạt động của thiết bị

Hình 1.5 minh họa ảnh hưởng của ngõ vào hiệu chỉnh với các

giá trị 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 bị

V ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ SAI SỐ:

Độ chính xác của thiết bị được định nghĩa là sự khác biệt giữa giá trị đúng của đại lượng cần đo và giá trị

đo được của đại lượng đó bởi dụng cụ đo Đối với bất kỳ dụng cụ đo nào cũng có sai số gây ra do sai số hệ thống (systematic error) hay sai số ngẫu nhiên

(random error)

+ Các nguồn sai số hệ thống:

Có rất nhiều các yếu tố có thể gây ra sai số hệ thống Một trong các nguyên nhân gây ra là làm thay đổi đáp ứng ngõ vào – ngõ ra của cảm biến Các ngõ vào hiệu chỉnh và

các ngõ vào giao thoa cũng có thể gây ra sai số cho cảm biến VD: Nếu nhiệt độ là một ngõ vào hiệu chỉnh, sử dụng cảm biến ở một nhiệt độ khác với nhiệt độ chuẩn hóa cũng có thể gây ra sai số hệ thống Trong một số trường hợp, nếu sai số hệ thống đã biết, có thể khử nó bằng cách sử dụng phương

pháp bù (compensation methods)

Có các yếu tố khác cũng có thể làm thay đổi đáp ứng của cảm biến gây ra sai số hệ thống Trong một số cảm biến, tuổi thọ của linh kiện cũng có thể làm thay đổi đáp ứng của nó Do đó, để tránh sai số hệ thống, cảm biến phải được định chuẩn theo chu kỳ

+ Các nguồn gây sai số ngẫu nhiên:

Sai số ngẫu nhiên có thể được xem là nhiễu Nếu trong một quá trình đo lường với giá trị sai số ngẫu nhiên

đúng được lặp lại một số lớn lần, phân bố đó được gọi là

phân bố Gaussian

CHƯƠNG II

ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ

z I CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ

tiêu chuẩn có độ chính xác là ±0.00010C.

z Điện trở của các kim loại dùng để chế tạo cảm biến

thay đổi theo một quy luật đã biết trước, phụ thuộc vào việc tăng hay giảm của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại tăng Khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại

giảm Các RTD sử dụng các tính chất này làm cơ sở để thực hiện đo lường nhiệt độ.

Phần quan trọng nhất của RTD là một cuộn dây có

đường kính nhỏ, có tính đồng nhất cao, thường được chế tạo từ platin, đồng hay niken.

- Trong số các vật liệu dùng để chế tạo cuộn dây cho RTD, platin là vật liệu tốt nhất do tính ổn định lâu dài của nó theo thời gian ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxi hóa, và tầm nhiệt độ làm việc rất lớn.

- Trong dụng cụ đo sử dụng RTD, có 1 dòng điện không đổi chạy qua

RTD, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở của RTD, do đó sẽ làm thay đổi điện áp đo được trên RTD Sau đó điện áp được biến đổi trở lại thành giá trị nhiệt độ bằng cách tính toán dựa vào mối quan hệ của chúng.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của cảm biến: đồng

chất, biến dạng, độ căng của dây quấn.

- Với mỗi RTD có cấu tạo từ các kim loại khác nhau, nó

có độ nhạy, độ chính xác và tầm nhiệt độ khác nhau Độ

nhạy của RTD được định nghĩa là độ thay đổi điện trở của cảm biến trên độ thay đổi của nhiệt độ Với một số kim

loại thông dụng dùng để chế tạo RTD độ nhạy của nó

biến đổi theo quy luật sau:

Độ chính xác của RTD lớn hơn rất nhiều so với cảm biến nhiệt Thermocouple trong phạm vi nhiệt độ làm việc bình thường của RTD (-188.440C đến 648.880C) RTD cũng có độ ổn định và độ chính xác lặp cao, do đó nó thường được ứng dụng trong các lĩnh vực cần độ chính xác cao và dùng để định chuẩn cho các thiết bị khác.

Hệ số nhiệt điện trở:

- Với mỗi kim loại dùng để chế tạo RTD có độ thay đổi của điện trở theo nhiệt độ khác nhau Hệ số nhiệt điện trở được định nghĩa như sau:

R100: Điện trở của cảm biến ở 100 độ C.

R0: Điện trở của cảm biến ở 0 độ C.

- Với hệ số nhiệt càng lớn thì độ thay đổi của điện trở theo nhiệt độ càng lớn Trong các vật liệu thường dùng để chế tạo RTD, nikel có hệ số nhiệt điện trở cao nhất, Đồng

(copper) có hệ số nhiệt nhỏ nhất.

0 0

0 100

Cấu tạo RTD:

- Cảm biến 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 bị 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 kỹ thuật cao Trong SPRT, dây Platin được sử dụng có đường kính lớn, có độ đồng chất cao Các đầu dây bên trong được chế tạo từ hỗn hợp Platin, Thạch Anh và Silic SPRT được sử dụng trên tầm nhiệt độ rất rộng, từ -2000C đến hơn 10000C Với các SPRT có nhiệt độ cao nhất khoảng

6600C, R0 khoảng 25.5Ω Với các SPRT có tầm nhiệt độ cao hơn, R0 khoảng 2.5Ω 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 THERMOCOUPLE

- Mặc dù có nhiều loại cảm biến nhiệt được phát minh, chế tạo và ứng dụng vào thực tế, nhưng Thermocouple (cặp nhiệt điện) vẫn là loại cảm biến nhiệt được sử dụng phổ biến nhất để đo lường nhiệt độ trong mọi lĩnh vực do: tính linh hoạt, đơn giản, dễ sử dụng và giá thành vừa phải Bất kỳ một cặp dây dẫn điện và một vật liệu nhiệt điện khác loại đều có thể được ghép với nhau để tạo thành cặp nhiệt điện.

- Hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

Seebeck Theo hiệu ứng này, nhiệt độ không đồng nhất giữa các phần tử nhiệt sẽ tạo ra một điện áp, dựa vào mối quan hệ của điện áp này với nhiệt độ, ta có thể tính ra được nhiệt độ

tương ứng Tuy nhiên, cặp nhiệt điện cũng là một nguồn gây nhiễu tần số thấp trong các mạch điện tử xung quanh nó.

1 Thermocouple đơn giản

- Trong các ứng dụng đơn giản, đồng hồ đo nhiệt sử dụng cặp nhiệt dễ dàng sử dụng như các đồng hồ vạn năng thông

thường Hiện nay, trong một số đồng hồ đo vạn năng có tích hợp thêm đầu dò đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt Các đầu dò

đo nhiệt này được thiết kế phù hợp để đo lường nhiệt độ bề mặt lẫn nhiệt độ bên trong của đối tượng cần đo

Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp

được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt Các hiệu ứng

Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và phân phối lại trong một mạch điện

2 Các hiệu ứng nhiệt

Hiệu ứng Seebeck

Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp

được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt Các hiệu ứng

Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và phân phối lại trong một mạch điện

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 liên quan đến điện thế tiếp xúc Volta.

Các tính chất Seebeck tuyệt đối:

- Hệ số Seebeck tuyệt đối biểu diễn độ nhạy đo lường [V/đơn

vị nhiệt độ] của hiệu ứng Seebeck Nó được định nghĩa 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

Ỉ Sức điện động Seebeck của mỗi loại vật liệu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ở 2 điểm và không phụ thuộc vào gradient nhiệt độ của 2 điểm.Hệ số Seebeck là một hàm phi tuyến theo

nhiệt độ, không phải là một hằng số Đối với các đồng hồ đo nhiệt chính xác, hệ số Seebeck chỉ phụ thuộc duy nhất vào nhiệt độ σ(T) không thể thay đổi dọc theo một phần tử nhiệt, cũng như không được thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian sử dụng Ngoài ra, các đồng hộ đo nhiệt chính xác phải không

bị ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như sức căng, áp

suất, từ trường…

- Gọi là hệ số Seebeck tuyệt đối của một vật liệu M Nguồn điện áp tương ứng trong vật liệu đó là sức điện động Seebeck tuyệt đối là một yếu tố vật lý tồn tại nhưng

không thể dễ dàng quan sát Hệ số Seebeck tuyệt đối có thể

xác định 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 tử nhiệt, là 2 vật liệu A và B của một cặp nhiệt với một tiếp xúc chung ở nhiệt 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 trị tương đối này có thể quan sát trực tiếp, do đó nó thường được sử dung trong các đồng hồ đo nhiệt Các giá trị 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 tế, Tf thường sử dụng là , với T0 = 0o C

Cặp nhiệt thường được biểu diễn ở dạng một cặp phần tử nhiệt làm bằng 2 vật liệu khác nhau, được nối với nhau bởi 2 tiếp xúc trong một vòng kín Một tiếp

xúc ở nhiệt độ Tm, gọi là tiếp xúc 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 đồng hồ đo nhiệt 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

3 Các mạch cặp nhiệt thực tế

-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 xúc chuẩn và cặp nhiệt 2 tiếp xúc chuẩn

II CẢM BIẾN NHIỆT SỬ DỤNG TIẾP XÚC BÁN DẪN

- Có thể chế tạo cảm biến nhiệt với công nghệ xử lý bán dẫn

bằng cách sử dụng các đặc tính nhiệt của tiếp xúc PN

- Ưu điểm của loại cảm biến này là giá thành rất thấp, tuy nhiên vẫn đảm bảo về mặt chất lượng của cảm biến.

- Hầu hết các loại cảm biến nhiệt ở dạng này sử dụng một

Transistor lưỡng cực được kết nối dạng Diode (ngắn mạch tiếp xúc Collector – Base) Một nguồn dòng không đổi chạy qua tiếp xúc Base-Emitter tạo ra 1 điện áp tiếp xúc (Vbe), điện áp này là một hàm tuyến tính của nhiệt độ tuyệt đối Toàn bộ điện áp rơi thuận có hệ số nhiệt xấp xỉ

1 Giới thiệu

- So với RTD hoặc cặp nhiệt điện, cảm biến nhiệt bán dẫn có hệ số nhiệt lớn hơn, tuy nhiên giá trị của nó vẫn còn nằm trong phạm vi nhỏ Điện áp thuận của cảm biến nhiệt bán dẫn có một giá trị offset thay đổi đáng kể từ điểm này so với điểm khác Tuy nhiên, điện áp tiếp xúc bán dẫn theo nhiệt độ thìtuyến 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

3 Cảm biến nhiệt tích hợp