Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng pdf

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 1 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp là môn học quan trọng dành cho sinh viên các trường đại học và các kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực Đo lường – Điều khiển - Tự động hoá. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay đã và đang tạo ra những bước đột phá mới trong lĩnh vực đo và Cảm biến. Bài giảng được biên soạn nhằm trình bày về Kỹ thuật đo và Cảm biến trong công nghiệp. Nội dung trình bày được chú trọng chính là sự kết hợp chặt chẽ giữa lí thuyết và các ví dụ thực tiễn. Đây là phần tài liệu cập nhật mới được đúc kết từ kinh nghiệm giảng dạy cho sinh viên đại học và trong các nhà máy công nghiệp gần đây của tác giả và các đồng nghiệp Bài giảng này được biên soạn nhằm phục vụ các cán bộ kỹ thuật của các ngành công nghiệp như: Xi- măng, hoá chất, bia… đồng thời nó cũng có thể được làm tài liệu tham khảo tốt cho các sinh viên trong các trường Đại học. Do thời gian và trình độ có hạn nên bài giảng chắc sẽ có những thiếu sót. Mọi thư từ và góp ý xin chuyển đến tác giả biên soạn theo địa chỉ: Bùi Đăng Thảnh Khoa Điện- ĐHBK Hà Nội Tel: 0915.897.699 Email: Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 2 Chương 1. KỸ THUẬT ĐO 1.1. Định nghĩa và phân loại phép đo 1.1.1. Định nghĩa + Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết bằng số so với đơn vị đo A x = X/X 0 + Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học + Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường 1.1.2. Phân loại phép đo + Phép đo trực tiếp + Phép đo gián tiếp + Phép đo thống kê 1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường 1.2.1. Đại lượng đo + Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo + Phân loại theo sự biến đổi của tín hiệu: + Đại lượng tiền định + Đại lượng gần tiền định + Đại lượng ngẫu nhiên + Phân loại theo đặc tính của tín hiệu + Đại lượng số VD về quy định mức logic trong một số chuẩn công nghiệp + Đại lượng tương tự VD về các đại lượng đo thông dụng như nhiệt độ, áp suất … 1.2.2. Điều kiện đo Điều kiện đo là điều kiện để tiến hành phép đo, nó có ảnh hưởng lớn đến kết quả của phép đo 1.2.3. Đơn vị đo + Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 3 `+ Bao gồm: - Các đơn vị cơ bản (m, kg, s, A, K, Cd, mol): được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được - Đơn vị dẫn xuất là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản bởi những quy luật thể hiện bằng các biểu thức. Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với số lượng ít nhất có thể suy ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đại lượng vật lí 1.2.4. Thiết bị đo và phương pháp đo Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Phương pháp đo: biến đổi thẳng, kiểu bù 1.2.5. Người quan sát Là một trong những nguyên nhân gây sai số khi đo 1.2.6. Kết quả đo Kết quả đo trong nhiều trường hợp là tương đối, có thể đúng với hoặc sai tuỳ theo yêu cầu về độ chính xác của phép đo 1.3. Tín hiệu đo Tín hiệu là diễn biến của 1 đại lượng vật lí chứa đựng tham số thông tin, dữ liệu và có thể truyền dẫn được Tín hiệu đo là tín hiệu mang các đặc tính thông tin đo 1.4. Chuẩn và mẫu - Chuẩn cấp I được gọi là chuẩn, bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn vị chính xác nhất của một quốc gia - Các thiết bị chuẩn và mẫu dùng để khôi phục một đại lượng vật lí nhất định. Chúng thường có độ chính xác cao tuỳ theo từng cấp 1.5. Sai số của phép đo và gia công kết quả đo 1.5.1. Sai số của phép đo + Phân loại sai số theo cách thể hiện bằng số: sai số tuyệt đối, tương đối + Phân loại sai số theo nguồn gây ra sai số: sai số phương pháp, thiết bị, chủ quan, bên ngoài Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 4 + Phân loại sai số theo quy luật suất hiện của sai số: sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên 1.6. Các cơ cấu hiển thị 1.6.1. Hiển thị tương tự - Cơ cấu từ điện - Cơ cấu điện từ - Cơ cấu điện động - Cơ cấu cảm ứng 1.6.2. Hiển thị tự ghi Bao gồm các cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ thấp, trung bình và cao Có thể sử dụng PC với các phần mềm thông dụng - một ví dụ trong VB 1.6.3. Hiển thị số Thuận lợi trong quan sát, đa dạng trong hiển thị… Có thể hiển thị LED 7 thanh, LCD hay PC Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 5 Chương 2. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CẢM BIẾN 2.1. Các khái niệm và định nghĩa 2.1.1. Chuyển đổi đo lường và chuyển đổi đo lường sơ cấp Trong các hệ thống đo lường - điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Chính các chuyển đổi đo lường và đo lường sơ cấp thực hiện chức năng này. Trên thực tế tín hiệu cần xử lý có thể là điện hoặc không điện. Ta đưa ra các khái niệm sau: + Chuyển đổi đo lường: Là chuyển đổi làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác theo một quan hệ hàm. Mối quan hệ giữa đại lượng vào và ra có thể tuyến tính hoặc phi tuyến. y = f(x) Trong đó: x: Đại lượng vật lý tác động y: Đại lượng vật lý khác f: Là một hàm có tính chất đơn trị, phi tuyến hoặc tuyến tính + Chuyển đổi đo lường sơ cấp: là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là đại lượng không điện và đại lượng ra là đại lượng điện hoặc mang thông tin về điện. y = f(x) Trong đó: x: Đại lượng vào không điện y: Đại lượng ra là điện 2.1.2. Cảm biến đo lường Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Nói cách khác cảm biến chính là các chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng rất khác nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành cảm biến hay còn gọi là sensor. + Đầu ra của cảm biến thường được ghép với các bộ vi xử lý thông qua các mạch Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 6 giao diện thích hợp. + Nguyên lí của các cảm biến đa số dựa trên các hiệu ứng vật lí. Ví dụ: nhiệt điện, quy điện, hoá điện 2.2. Các đặc trưng của cảm biến 2.2.1. Sai số và độ chính xác + Sai số tuyệt đối: x= X - X th + Sai số tương đối: %100*% X x    + Sai số hệ thống: Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo hoặc thay đổi có quy luật. Nguyên nhân: - Do nguyên lý của cảm biến - Do không hoàn thiện cấu trúc . - Do yếu kém của công nghệ chế tạo . - Do đặc tính của cảm biến hoặc xử lý kết quả đo + Sai số ngẫu nhiên: Là sai số có độ lơn là chiều không xác định Nguyên nhân: Do điều kiện ngoài khác điều kiện chuẩn Do tín hiệu ngẫu nhiên Khắc phục sai số: - Bảo vệ mạch đo chống ảnh hưởng của nhiễu - Tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi - Bù nhiệt độ, tần số - Vận hành đúng 2.2.2. Độ nhạy - Giả sử sensor có mối liên hệ y=f(x) Độ nhạy: dx dy S  - Độ nhạy: có tác dụng quyết định cấu trúc mạch đo để đảm bảo cho phép đo có thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo. 2.2.3. Đặc tính của cảm biến. Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 7 Để làm rõ các đặc tính cơ bản của cảm biến ta xét dựa trên mô hình thiết bị đo (TBĐ) sau Mô hình của TBĐ đơn giản Chúng được mô tả trên hình 2.1 Hình 2.1. Mô hình một TBĐ đơn giản Trong đó, quá trình vật lý cần đo nằm ở bên trái của hình vẽ và đại lượng cần đo được mô tả bởi đại lượng vật lý có thể quan sát được X (biến đo lường). Tuy nhiên, đại lượng quan sát được X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo, nhưng lại có quan hệ với đại lượng cần đo theo một cách nào đó. Chẳng hạn khối lượng được đo bởi quá trình cân, trong đó đại lượng cần đo là khối lượng, nhưng đại lượng đo vật lý (measurement) là lực hút của trái đất trong trường lực hấp dẫn trái đất. Có rất nhiều đại lượng vật lý cần đo như nhiệt độ, độ ẩm, lực, áp suất… và tín hiệu sau sensor đo cũng rất đa dạng như: điện áp, dòng điện, điện trở, điện dung … Phần tử chức năng chính của của TBĐ là sensor (hình 1). Sensor có chức năng biến đổi đại lượng vật lý ở đầu vào thành tín hiệu thích hợp ở đầu ra. Đặc điểm của tín hiệu này là có thể điều khiển được trong một hệ thống truyền dẫn, chẳng hạn như mạch điện hay mạch cơ. Chính vì đặc điểm này mà tín hiệu có thể được truyền đến một đầu ra, hoặc được ghi vào một thiết bị mà nó ở xa sensor. Trong mạch điện, điện áp và dòng điện là những tín hiệu phổ biến. Tương tự vậy trong hệ thống cơ là độ dịch chuyển và lực. Tín hiệu đi ra từ sensor có thể được hiển thị, ghi lại, hoặc làm tín hiệu đầu vào cho một thiết bị hoặc hệ thống khác. Trong một thiết bị đo cơ sở, tín hiệu được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc thiết bị ghi mà ở đó đại lượng đo được đọc bởi quan sát viên. Đầu ra quan sát được là đại lượng đo M. Có rất nhiều loại thiết bị hiển thị. Từ những loại khắc độ và tay quay đơn giản đến những hệ thống hiển thị tinh vi bằng máy tính. Tín hiệu cũng có thể Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 8 được dùng trực tiếp cho một hệ thống lớn hơn mà ở đó thiết bị đo chỉ là một thành phần trong hệ thống. Ví dụ, tín hiệu đầu ra của một sensor có thể được sử dụng làm tín hiệu vào cho một hệ thống điều khiển vòng kín. Nếu tín hiệu ra từ sensor nhỏ thì cần khuếch đại tín hiệu. Hình sau mô tả việc khuếch đại tín hiệu nhỏ có sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ADC để ghép nối mới máy tính (PC) Hình 2.2. Thiết bị đo ghép nối PC Tín hiệu ra sau khuếch đại có thể được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc được ghi lại, tuỳ thuộc vào từng ứng dụng đo. Trong một số trường hợp TBĐ cần tín hiệu ra là số để giao tiếp với hệ thống thu thập dữ liệu hoặc hệ thống giao tiếp trên máy tính(computer-based). Hình 2.2 đúng trong trường hợp Sensor không cho tín hiệu đầu ra là số. Việc lưu trữ và hiển thị thông tin đo trên máy tính ngày nay đang là một giải pháp rất hiệu quả. Bởi máy tính cho phép hiển thị linh hoạt đồng thời nhiều giá trị đo của các điểm đo khác nhau, đồng thời máy tính cũng hỗ trợ mạnh mẽ trong lưu trữ số liệu, quản lí thông tin đo… Sensor tích cực và thụ động Như đã trình bày ở trên, sensor biến các đại lượng vật lý thành các tín hiệu. Sensor có thể chia làm 2 loại chính tuỳ thuộc vào cách mà chúng tương tác với môi trường chúng đo. Sensor thụ động (Passive sensor) không nhận thêm năng lượng như là một phần của quá trình đo nhưng lại có thể mất mát năng lượng trong quá trình đo đó. Chẳng hạn với cặp nhiệt điện nhiệt, ở đó nhiệt độ vật lý được biến đổi thành tín hiệu điện áp. Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ trong môi trường đo tạo nên một điện áp nhiệt điện và trở thành tín hiệu. Sensor tích cực (Active sensor) là loại sensor nhận năng lượng từ môi trường như là một phần của quá trình đo. Một ví dụ về sensor tích cực là hệ thống radar, ở đó Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 9 khoảng cách đến một đối tượng nào đó được đo bằng cách chủ động gửi đi một sóng radar, rồi sóng đó phản xạ lại, đếm thời gian lan truyền kết hợp với vận tốc lan truyền sẽ cho ta khoảng cách cần đo. Khắc độ Quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra của một sensor được gọi là sự khắc độ của sensor. Thông thường, một sensor (hoặc cả một hệ thống đo) được khắc độ bằng cách đưa vào một đại lượng vật lý đã biết và ghi lại giá trị ra. Số liệu được vẽ trên một đường cong khắc độ như ví dụ trong hình 2.3. Hình 2.3. Minh họa về khắc độ sensor Trong ví dụ này, sensor có đáp ứng tuyến tính khi đầu vào nhỏ hơn X 0 . Độ nhạy của thiết bị chính bằng độ dốc của đường cong khắc độ. Sensor sẽ ít nhạy hơn khi đầu vào lớn hơn X 0 và trở nên bão hoà khi tín hiệu ra đạt đến giá trị tới hạn. Sensor không thể đo được giá trị lớn hơn giá trị bão hoà. Trong một số trường hợp, sensor sẽ không phản ứng với những đầu vào có giá trị quá nhỏ. Độ chênh lệch giữa đầu vào có giá trị nhỏ nhất và đầu vào có giá trị lớn nhất được đo bằng một TBĐ xác định dải đo động. Đầu vào hiệu chỉnh và nhiễu đầu vào Trong một số trường hợp, tín hiệu ra của sensor chịu tác động của các đại lượng vật lý khác nhiều hơn là của đại lượng cần đo. Trong hình 2.4, X là đại lượng cần đo, Y là nhiễu đầu vào, Z là đầu vào hiệu chỉnh. [...]... Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 13 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng - Cảm biến áp suất - Cảm biến nhiệt độ - Cảm biến lưu lượng - Cảm biến mức - Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội Cảm biến hình ảnh Các ứng dụng của chúng rất đa dạng trong công nghiệp và trong đời sống xã hội, các ứng dụng này được phân tích trong các trường hợp cụ thể của từng loại cảm biến 2.4 Vấn đề nhiễu loạn 2.4.1... làm cảm biến vị trí, trong đó đề cập đến nguyên lí, mạch đo và các ví dụ minh hoạ 3.2 Cảm biến biến trở trong đo ví trí Cảm biến biến trở có thể được dùng để xác định các dịch chuyển góc hoặc dịch chuyển tuyến tính và biến những giá trị này thành tín hiệu điện (thường là điện áp) Mô tả về cảm biến biến trở được trình bày trên hình sau: Hình 3.1 Chuyển đổi biến trở Cấu tạo của cảm biến biến trở trong đo. .. kiểu stop-stop Người ta sử dụng biến trở làm cảm biến vị trí Một bộ vi điều khiển 8 bit được sử dụng và vị trí thực của tay máy phải nằm trong khoảng 0.50 Xác định độ phân giải ở 200 như hình 7 Giải: Hình 3.7 Cảm biến vị trí là biến trở trong xác định dịch chuyển của tay máy ® 03.2007 Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 20 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà... … ® 03.2007 Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 30 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội Chương 4 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ VÀ CẢM BIẾN GIỚI HẠN 4.1 Tổng quan Được ứng dụng nhiều trong đời sống 4.2 Xác định vận tốc góc từ cảm biến vị trí Vận tốc góc được xác định là tốc độ thay đổi của vị trí, chúng được chỉ ra theo công thức sau: Tocdo    2   1   t t 2 .. .Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội Hình 2.4 Mô hình đo lường có tính đến tác động của nhiễu Nhiễu đầu vào Y làm cho sensor phản ứng như là sự xếp chồng tuyến tính của Y và X Do đó, tín hiệu ra đo được cũng phải là sự kết hợp của X và Y, trong đó Y gây nhiễu lên đại lượng cần đo X Các đầu vào hiệu chỉnh có thể làm thay... lỗi hệ thống và lỗi ngẫu nhiên ® 03.2007 Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 10 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội Các nguồn sai số hệ thống Có rất nhiều loại nguyên nhân gây nên sai số hệ thống của phép đo Một trong những lớp nguyên nhân đó làm thay đổi đáp ứng vào/ ra của sensor và kết quả là sự khắc độ bị sai Các đầu vào hiệu chỉnh và đầu vào nhiễu... Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 18 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng  Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội Rtot Điện trở tổng của biến trở Khi biến trở được sử dụng làm cảm biến vị trí, điện áp đầu ra sẽ tỉ lệ với góc quay của trụ, vì vậy sai số tuyến tính có thể được xác định như sau: S tt   x 100  tot Trong đó:   Sai lệch góc cực đại (tính theo độ)  tot Dải đo tổng của biến trở Hình 3.5... hạn trong các ứng dụng về đo độ pH, cần thiết phải co sự kết hợp của đo nhiệt độ bởi vì đường đặc tính giữa độ pH cần đo và giá trị đầu ra sau sensor phụ thuộc vào nhiệt độ 2.3 Phân loại các cảm biến Cảm biến trong công nghiệp có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau Tuy nhiên trong tài liệu này sẽ được phân loại theo ứng dụng chúng bao gồm: - Cảm biến vị trí - Cảm biến tốc độ - Cảm biến. .. Hình 3.2 Dùng biến trở với nhiệm vụ của cảm biến vị trí Sai số tải (Loading error) Mạch đo sau biến trở cũng cần được quan tâm, người ta thường dùng mạch chia Một sai số tải xuất hiện khi con trượt của biến trở được kết nối tới mạch với một ® 03.2007 Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 16 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội điện trở đầu vào mà nó không... 14 Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội Chương 3 CẢM BIẾN VỊ TRÍ 3.1 Tổng quan Cảm biến vị trí dùng để xác định vị trí vật lí của đối tượng so với điểm chuẩn Thông tin mà chúng mang lại có thể là các dịch chuyển góc hoặc dịch chuyển thẳng Chúng được ứng dụng ở nhiều nơi trong các ứng dụng khác nhau chẳng hạn cánh tay Robot Các dịch chuyển cơ học, trong . Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội . của khoa học kỹ thuật hiện nay đã và đang tạo ra những bước đột phá mới trong lĩnh vực đo và Cảm biến. Bài giảng được biên soạn nhằm trình bày về Kỹ thuật đo và Cảm biến trong công nghiệp. Nội. trúc mạch đo để đảm bảo cho phép đo có thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo. 2.2.3. Đặc tính của cảm biến. Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng