bài giảng đo lường điện

Ch.8: Các cảm biến dùng trong đo lường 8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển. 8.2.Cảm biến đo tốc độ. 8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở. 8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. 8.5.Đo nhiệt độ bằng diod và transistor. 8.6.Đo nhiệt độ bằng IC. 8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anh. 8.8.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng. 8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng. 8.10.Cảm biến đo và dò mực chất lỏng. 8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển • Những cảm biến này rất thông dụng. Một mặt, do việc kiểm soát vị trí, sự dịch chuyển rất quan trọng trong việc hiệu chỉnh hoạt động các máy móc, máy công cụ chẳng hạn. Mặt khác, một số đại lượng vật lý được đo từ sự dịch chuyển nhờ chi tiết thử nghiệm, như lực, áp suất, gia tốc…Có 2 phương pháp : • Ph. ph.1 thường được dùng. Cảm biến tạo ra tín hiệu gắn liền với vị trí của một trong những thành phần của cảm biến liên kết cơ khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc tính hình học hoặc kích thước cảm biến. Đó là các cảm biến: Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung có lõi di động…. • Ph. ph.2 ít thông dụng. Cảm biến tạo ra một xung ứng với mỗi lần đối tượng di chuyển. Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu được đặc trưng bởi không có sự liên kết cơ khí với vật mà thay vào đó là 1 trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến, xác định đáp ứng của cảm biến. 8.1.1.Cảm biến dạng điện trở 1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học: Như hình trên. Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)R n ;Biến trở góc: R(α)=(α/α M )R n . Trong đó: Biến trở vòng α M <360 0 ; Biến trở hélice α M >360 0 . 1 R(α) R n c) 3 L 1 2 R(l) R n l 0 a) α α M 2 1 3 R(α) R n b) b.Điện trở • Được cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng (piste). Dây điện trở phải nêu những đặc tính sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể. Những hợp kim thường được dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag- Pd. Dây quấn được thực hiện trên vật liệu cách điện (thủy tinh, gốm hoặc nhựa), dây quấn có lớp vỏ cách điện. Điện trở màng được cấu tạo bởi một miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện hoặc lớp oxyd kim loại, kích thước hạt kim loại vào khoảng 10 -2 μm. Điện trở R n có giá trị từ 1kΩ đến 100kΩ và có thể đạt đến vài MΩ. 2.Biến trở không có con chạy dạng cơ H. Biến trở con chạy dạng quang và biến trở góc loại từ 8.1.2.Cảm biến dạng điện cảm 1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ một trong những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thông cuộn dây. Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt, một sự chuyển đổi sự dịch chuyển thẳng hay quay tròn được thực hiện bởi: • Sự thay đổi hệ số tự cảm hay sự thay đổi độ ghép giữa các cuộn dây sơ và thứ cấp tạo nên 1 sự thay đổi điện áp thứ cấp. Khi cuộn dây quay tròn so với 1 cuộn cố định thì 1 cuộn giữ vai trò phần cảm, còn cuộn kia là phần ứng nó tác động như 1 biến áp có độ ghép thay đổi. Những thay đổi hệ số tự cảm và hỗ cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thường có sự tuyến tính kém, để cải thiện ta bố trí 2 cuộn dây theo cách mắc push-pull. Cảm biến điện cảm có nguồn cung cấp là tín hiệu sin, có tần số thường giới hạn cở hàng chục kHz. Những cảm biến điện cảm nhạy với những từ trường nhiễu nên cần có màng bảo vệ từ. 2.Điện cảm thay đổi a.Mạch từ có khe hở không khí thay đổi: Như hình trên. Điện cảm cuộn dây: L = μ 0 N 2 S(1/(l 0 +l f /μ f )); Trong đó: μ 0 : Độ từ thẩm không khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S: Tiết diện mạch từ; l f , l 0 : Chiều dài trung bình đường sức trong lõi sắt và trong không khí; μ f : Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ. b.Cuộn dây có nòng di động H.8.7.Cuộn dây có nòng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull. • Điện cảm L của cuộn dây có nòng di động : ( ) ( )( ) ( ) [ ] fffffff lllSSSklSlS l N L −−++−+= .121 000 2 2 0 µµµ 3.Biến áp vi sai • Với; L 2 = L ’ 2 + L ’’ 2 và R 2 = R ’ 2 + R ’’ 2 . [ ] [ ] [ ] 2''' 21 2 211221 1 ''' ))()(()()( )()( xMxMLLRRLRLjRRR exMxMRj v ii i m −+−++++ − = ωω ω 4.Microsyn • Cuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin e s có biên độ tối đa khoảng vài chục vôn và tần số dưới 10kHz.Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp: v m = 4aωΔαsinωt ; (Δα góc dịch chuyển bé) Hình 6.11: Nguyeân taéc caáu taïo Microsyn [...]... dòng điện Foucault • Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng: R1eq = R1 + M2ω2R2/(R22+L22ω2) • Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm: L1eq = L1 - M2ω2L2/(R22+L22ω2) 3.Cảm biến hiệu ứng Hall Hình 8.19.Nguyên lý hiệu ứng Hall Điện áp hiệu ứng Hall: VH = KHIBN/e Hằng số Hall KH = -1/qn; q: Điện tích âm điện tử, n: Mật độ âm điện tử, BN: Thành phần từ trường theo trục z 8.2.Cảm biến đo tốc độ • Trong công nghiệp, đo. .. hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng ta thường quy về việc đo vận tốc quay tròn, vì thế các cảm biến đo tốc độ thường là các cảm biến đo tốc độ góc Trong công nghiệp, các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đó là các tốc độ kế loại điện từ Khi các chuyển động có tính tuần hoàn như chuyển động quay tròn chẳng hạn, việc đo tốc độ có thể bắt đầu từ việc đo tần số, đó là cảm biến đo. .. 2.Tụ điện có tiết diện thay đổi a.Tụ điện đơn: Điện dung thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển x: C(x) = K.x Đối với tụ điện xoay: K = ε0πr2/360.D, x = α: độ Đối với tụ điện trụ: K = 2ε0π/Log(r2/r1), x = l: m b.Tụ điện đôi vi sai: C21= C0(1+x/X); C31 = C0(1- x/X); Với KX = C0, X = L/2 (L chiều dài bản cực di động đối với tụ điện trụ), X = αM/2 (αM: góc tạo từ tâm của bản cực di động đối với tụ điện. .. nguội hình thành các dạng : đĩa, trụ, nhẫn Các vật liệu có điện trở suất lớn cho phép chế tạo những điện trở đo có kích thước điện trở bé (cở mm), kết quả: Điện trở có kích thước bé cho phép đo nhiệt độ chính xác Một lượng calo bé khiến cho vận tốc đáp ứng cao Sự ổn định của nhiệt điện trở tùy thuộc vào việc chế tạo và những điều kiện sử dụng Dạng điện trở kín hay dạng có vỏ bọc cho phép che chở chống... 00C: Việc đo sức điện động nhiệt điện cho phép ta xác định ngay nhiệt độ T c nhờ sử dụng bảng đặc tính của cặp nhiệt điện sử dụng • Tref không đổi nhưng khác với 00C: Khi nhiệt độ môi trường thay đổi lớn, trong công nghiệp người ta chọn Tref không đổi và lớn T C hơn nhiệt độ môi trường Bằng cách sử dụng0 bảng đặc tính EA/ B của cặp nhiệt điện sử dụng ta biết được , khi đo sức điện độngCnhiệtTđiện của... không có vùng chết và thường dùng để đo vận 8.3 .Đo nhiệt độ bằng điện trở 8.3.1.Độ nhạy nhiệt: Một cách tổng quát giá trị điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ T: R(T)=R0.F(T-T0) R0: Điện trở ở nhiệt độ T0 và hàm F phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu, có giá trị là 1 khi T=T0 Đối với điện trở kim loại: R(T) = R0(1+AT+BT2+CT3); T tính bằng 0 C, T0 = 0 0C Đối với nhiệt điện trở bằng oxyde kim loại: R(T) =... đổi, hiệu ứng Hall đối với vật liệu kháng từ • Trường điện từ đối với những cảm biến dòng điện Foucault • Trường tỉnh điện đối với những cảm biến điện dung • Những ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu: Băng thông rộng, độ tin cậy lớn • Những điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt động không tuyến tính 1.Cảm biến từ trở thay đổi • Điện áp thứ cấp có dạng không tuyến tính khi cuộn sơ... Cuộn kích từ được cung cấp điện áp ve= Vecosωet Cuộn dây đo thu được: em = Emcos(ωet+Φ); Với Em= KωVe Góc lệch pha khoảng vài độ Khi rotor không quay sẽ xuất hiện 1 điện áp bé (gọi là điện áp lệch cở mV) ở 2 đầu cuộn dây đo, do công nghệ chế tạo không hoàn toàn đối xứng: Sự không đối xứng của rotor hoặc sự bố trí 2 cuộn dây không hoàn toàn thẳng góc 8.2.2.Tốc độ kế điện từ đo tốc độ thẳng • Trường hợp... đối với tụ điện trụ), X = αM/2 (αM: góc tạo từ tâm của bản cực di động đối với tụ điện xoay) 3.Tụ điện có khoảng cách thay đổi • Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng a.Tụ điện đơn: C(d) = ε0A/(D0+d) b.Tụ điện đôi: C21 = C0/(1-(d/D0)); C31 = C0/(1+(d/D0)); Với: ε0A/D0 = C0 8.1.4.Cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu • Loại cảm biến này được đặc trưng bởi sự không có liên kết cơ khí... những chuyển đổi trong vài hợp kim cặp nhiệt điện Phần hàn mối nối cặp nhiệt điện phải có thể tích giảm thiểu nhằm tránh những điểm có nhiệt độ khác nhau tại mối nối Ba kỷ thuật hàn được sử dụng: Hàn thiếc (cặp nhiệt điện loại T), hàn tự sinh bằng gió đá (thường sử dụng) và hàn điện 2.Nhiệt độ phụ thuộc vào sự sai biệt chuẩn Ta biết rằng sức điện động nhiệt điện nhiệt độ Tc và nhiệt độ chuẩn Tref, để . trong đo lường 8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển. 8.2.Cảm biến đo tốc độ. 8.3 .Đo nhiệt độ bằng điện trở. 8.4 .Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. 8.5 .Đo nhiệt độ bằng diod và transistor. 8.6 .Đo. bản cực di động đối với tụ điện xoay). 3.Tụ điện có khoảng cách thay đổi • Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng. a.Tụ điện đơn: C(d) = ε 0 A/(D 0 +d). b.Tụ điện đôi: C 21 = C 0 /(1-(d/D 0 ));. (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến, xác định đáp ứng của cảm biến. 8.1.1.Cảm biến dạng điện trở 1.Biến trở đo lường: a.Dạng