CẢM BIẾN VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG

Chương CẢM BIẾN VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG 6.1 Cảm biến đo vận tốc 6.1.1 Nguyên lý đo vận tốc  Vai trò đo vận tốc quay: • • • Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc đo tốc độ quay máy Độ an toàn, chế độ làm việc máy phụ thuộc lớn vào tốc độ quay Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài thường chuyển đo tốc độ quay Do vậy, cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng việc đo vận tốc  Các phương pháp đo vận tốc Phương pháp (sử dụng tốc độ kế điện từ): • Dựa tượng cảm ứng điện từ Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) phần ứng (phần có từ thông qua) Khi có chuyển động tương đối phần cảm phần ứng → từ thông (Φ) qua phần ứng biến thiên → phần ứng xuất suất điện động cảm ứng (e) ∈ tốc độ biến thiên (Φ) → ∈ tốc độ dịch chuyển Đo (e) → (v) • Các loại: Tốc độ kế chiều, tốc độ kế xoay chiều… dΦ e= − dt Φ ( x) = Φ 0F( x) Trong x biến số vị trí thay đổi theo vị trí góc quay theo đường thẳng, suất điện động e xuất phần ứng có dạng: dF(x) dx e = −Φ Suất điện động dx tỉ lệ với dtvận tốc cần đo 2 Phương pháp (Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung): • Làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động phần tử chuyển động quay Cảm biến có đĩa mã hoá gắn với trục quay, ứng với chuyển dịch → xung Tần số xung tỉ lệ với tốc độ cần đo • Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế quang… 6.2 Tốc độ kế điện từ 6.2.1 Tốc độ kế dòng chiều N S Hình 6.1 Sơ đồ cấu tạo máy phát dòng chiều 1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi than Stato nam châm điện NCVC, roto lõi sắt gồm nhiều lớp ghép lại, roto xẽ rãnh // với trục quay cách Trong rãnh đặt dây dẫn đồng Cổ góp hình trụ mặt có gắn đồng cách điện với nhau, nối với dây roto Hai chổi ép sát vào cổ góp bố trí cho tại thời điểm chúng tiếp xúc với hai đồng đối diện Khi rô to quay, xuất suất điện động dây dẫn xác định theo biểu thức: dφ i ei = − dt Trong dφ i từ thông mà dây dẫn cắt qua thời gian dt 6.2.2 Tốc độ kế dòng xoay chiều Máy phát đồng bộ: Sơ đồ cấu tạo tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng biểu diễn hình 6.2 N S N S S N Hình 6.2 Sơ đồ cấu tạo máy phát đồng 1) Stato 2) Rôto Thực chất máy phát điện xoay chiều nhỏ Roto (phầm cảm) máy phát nam châm tổ hợp nhiều nam châm nhỏ Phần ứng gồm cuộn dây bố trí cách mặt stato nơi tạo nên suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay roto e = E sinΩt E=K ω Trong đó: ; Ω = K 2ω K1 K2 thông số đặc trưng cho máy phát 2 Máy phát không đồng bộ: • Cấu tạo máy phát không đồng tương tự động không đồng hai pha (hình 6.3) • Roto hình trụ kim loại mỏng từ trường quay tốc độ với trục cần đo, khối lượng quán tính không đáng kể 1 Cuộn kích Rôto Cuộn đo ω em Hình 6.3 Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng Cuộn dây thứ hai cuộn dây đo Giữa hai đầu cuộn xuất suất điện động có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo: em = E m cos( ωet + ϕ) = kωVe cos( ωet + ϕ) Trong đó: k số phụ thuộc vào kết cấu máy, ϕ góc lệch pha, Ve điện áp cuôn kích từ Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn (> 1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc Trường hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng nhỏ dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử bản: nam châm cuộn dây Khi đo, phần tử giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động Chuyển động tương đối cuộn dây nam châm làm xuất cuộn dây suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo a Cảm biến có cuộn dây di động S v N S Hình 6.4 Cảm biến dùng cuộn dây di động 1) Nam châm 2) Cuộn dây Suất điện động xuất cuộn dây có dạng: e = 2πrNBv= lBv N - số vòng dây; l - tổng chiều dài dây; r - bán kính vòng dây; B - giá trị cảm ứng từ; v - tốc độ dịch chuyển vòng dây; Tốc độ kế loại đo độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s b Sơ đồ cảm biến có nam châm di động Khi độ dịch chuyển lớn (tới 0,5 m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động v a) b) Hình 6.5 Cảm biến có lõi từ di động a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý 1) Nam châm 2) Cuộn dây 6.3 Tốc độ kế xung Tốc độ kế xung thường có cấu tạo đơn giản, chắn, chịu đựng tốt môi trường độc hại, khả chống nhiễu chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số Tuỳ thuộc vào chất vật quay dấu hiệu mã hoá vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp - Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng vật quay sắt từ - Cảm biến từ điện trở: sử dụng vật quay hay nhiều nam châm nhỏ - Cảm biến quang với nguồn sáng: sử dụng vật quay có lỗ, đường vát, mặt phản xạ 6.3.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên a Cấu tạo nguyên lý làm việc: Cảm biến từ trở biến thiên gồm cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với đĩa quay làm vật liệu sắt từ có khía Khi đĩa quay, từ trở mạch từ biến thiên cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay 3 Khe từ (δ) ω 1.Đĩa quay (bánh răng) 2.Cuộn dây Nam châm vĩnh cửu Hình 6.6 Cảm biến có từ trở biến thiên Tần số suất điện động cuộn dây xác định biểu thức: f = pn p - số lượng đĩa n - số vòng quay đĩa giây 6.3.2 Tốc độ kế quang Nguồn sáng phát tia hồng ngoại diot phát quang (LED) Đĩa quay, đặt nguồn sáng đầu thu, có lỗ bố trí cách vòng tròn Đầu thu photodiode phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chuyển mạch nguồn sáng, lỗ, đầu thu quang thẳng hàng Kết đĩa quay, đầu thu quang nhận thông lượng ánh sáng biến điệu phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay biên độ không phụ thuộc tốc độ quay Hình 6.7 trình bày sơ đồ nguyên lý tốc độ kế quang đo tốc độ quay Hình 6.7 Sơ đồ nguyên lý tốc độ kế quang 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang 6.4 Cảm biến rung gia tốc 6.4.1 Phương pháp đo gia tốc Theo nguyên lý học, gia tốc đại lượng vật lý thể mối quan hệ lực khối lượng Phép đo gia tốc thực qua việc đo lực đo gián tiếp thông qua biến dạng hay di chuyển vật trung gian Độ rung đặc trưng độ dịch chuyển, tốc độ gia tốc điểm vật rung Cảm biến rung cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ cảm biến gia tốc Đo độ rung công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt lý do: • Nhằm khống chế biên độ rung để tránh gây tiếng ồn có hại cho sức khoẻ • Hạn chế mức rung giới hạn cho phép để đảm bảo độ an toàn cho công trình Rung động liên quan đến trạng thái mài mòn bền mỏi chi tiết khí máy móc Đo độ rung giúp cho người quản lý nắm tình trạng mòn chi tiết từ có kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa kịp thời 6.4.2 Cảm biến đo gia tốc rung Cảm biến gồm phần tử nhạy cảm (lò xo, ) nối với khối lượng rung đặt chung vỏ hộp Chuyển động rung khối lượng M tác động lên phần tử nhạy cảm cảm biến chuyển thành tín hiệu điện đầu z M h b’ b a h0 Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc rung 1) Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tử nhạy cảm 4) Giảm chấn ... dạng hay di chuyển vật trung gian Độ rung đặc trưng độ dịch chuyển, tốc độ gia tốc điểm vật rung Cảm biến rung cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ cảm biến gia tốc Đo độ rung công nghiệp có tầm... phụ thuộc lớn vào tốc độ quay Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài thường chuyển đo tốc độ quay Do vậy, cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng việc đo vận tốc  Các... dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số Tuỳ thuộc vào chất vật quay dấu hiệu mã hoá vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp - Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng vật quay sắt từ - Cảm biến