thiết bị cảm biến chương 8

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

Ch.8: Các cảm biến dùng đo lường 8.1.Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 8.2.Cảm biến đo tốc độ 8.3.Đo nhiệt độ điện trở 8.4.Đo nhiệt độ cặp nhiệt điện 8.5.Đo nhiệt độ diod transistor 8.6.Đo nhiệt độ IC 8.7.Đo nhiệt độ 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 dò mực chất lỏng Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 8.1.Cảm biến đo vị trí dịch chuyển  Những cảm biến thông dụng Một mặt, việc kiểm sốt vị trí, dịch chuyển quan trọng việc hiệu chỉnh hoạt động máy móc, máy cơng cụ chẳng hạn Mặt khác, số đại lượng vật lý đo từ dịch chuyển nhờ chi tiết thử nghiệm, lực, áp suất, gia tốc…Có phương pháp :  Ph ph.1 thường dùng Cảm biến tạo tín hiệu gắn liền với vị trí thành phần cảm biến liên kết khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc tính hình học kích thước cảm biến Đó cảm biến: Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung có lõi di động…  Ph ph.2 thơng dụng Cảm biến tạo xung ứng với lần đối tượng di chuyển Những cảm biến gọi giới hạn đầu đặc trưng khơng có liên kết khí với vật mà thay vào trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối vật cảm biến, xác định đáp ứng cảm biến Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 8.1.1.Cảm biến dạng điện trở L l Rn R(l) αM α R(α) Rn a) Rn c) R(α) b ) 1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học: Như hình Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)Rn;Biến trở góc: R(α)=(α/αM)Rn Trong đó: Biến trở vòng αM3600 Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT b.Điện trở  Được cấu tạo dây quấn dạng màng • Dây điện trở phải có đặc tính sau: Hệ số nhiệt độ ,điện trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể • Các hợp kim thường dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-Pd • Dây quấn thực vật liệu cách điện (thủy tinh, gốm nhựa), dây quấn có lớp vỏ cách điện  Điện trở màng (cấu tạo miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện lớp oxyd kim loại) kích thước hạt kim loại vào khoảng 10-2 μm Điện trở Rn có giá trị từ 1kΩ đến 100kΩ đạt đến vài MΩ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 2.Biến trở khơng có chạy dạng H Biến trở chạy dạng quang biến trở góc loại từ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 8.1.2.Cảm biến dạng điện cảm 1.Nguyên lý đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện thực nhờ phần tử mạch từ → thay đổi từ thông cuộn dây Khi phần tử di chuyển → chuyển đổi dịch chuyển thẳng hay quay tròn lõi sắt  Sự thay đổi hệ số tự cảm hay thay đổi độ ghép cuộn dây sơ thứ cấp tạo nên thay đổi điện áp thứ cấp  Khi cuộn dây quay tròn so với cuộn cố định → tác động biến áp có độ ghép thay đổi  Những thay đổi hệ số tự cảm hỗ cảm M theo dịch chuyển lõi sắt thường có tuyến tính kém, để cải thiện ta bố trí cuộn dây theo cách mắc push-pull  Cảm biến điện cảm có nguồn cung cấp tín hiệu sin, có tần số thường giới hạn cở hàng chục kHz  Những cảm biến điện cảm nhạy với từ trường nhiễu nên cần có màng bảo vệ từ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 2.Điện cảm thay đổi a.Mạch từ có khe hở khơng khí thay đổi: Như hình Điện cảm cuộn dây: L = μ0N2S(1/(l0+lf/μf)); μ0: Độ từ thẩm khơng khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S: Tiết diện mạch từ; lf, l0 : Chiều dài trung bình đường sức lõi sắt khơng khí; μf: Độ từ thẩm tương đối vật liệu sắt từ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 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  L Điện cảm L cuộn dây có nòng di động : N2 µ0 l  S l + ( µ − 1) S l + 2k S ( S + ( µ − 1) S ) (l − l )l  f f f f f f f  0   Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 3.Biến áp vi sai vm = jω Ri  M '' ( x) − M ' ( x)  e1 R1 ( Ri + R2 ) + jω [ L2 R1 + L1 ( R2 + Ri ) ] − ω  L1 L2 + ( M ' ( x) − M '' ( x))   Với; L2 = L’2 + L’’2 R2 = R’2 + R’’2 Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 10 H.8.8: Cảm biến đo nhiệt độ dùng IC AD 590 a.Sơ đồ nguyên lý; b.Mạch đo nhiệt độ; c.Mạch bù trừ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 43 8.7.Đo nhiệt độ thạch anh  Một ứng dụng cổ điển thạch anh thực dao động có độ vững lớn, tần số dao động phụ thuộc vào nhiệt độ Bản thạch anh có phương tinh thể định trước đặc trưng cho thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tần số dao động  Khi dùng làm cảm biến đo nhiệt độ , thạch anh có phương tinh thể làm cho tần số dao động thay đổi gần tuyến tính với nhiệt độ thạch anh Cảm biến xác nhạy, mặt khác việc xác định nhiệt độ dẫn đến việc đếm tần số có lợi do:  Việc đo xác  Việc chuyển đổi dạng số dễ dàng thông tin liên quan đến tần số Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 44 8.8.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng     Phương pháp đo vận tốc chất lỏng thường đo cách gián tiếp việc thực thường dựa trên: Đặc tính vật lý chi tiết thử nghiệm Một hiệu ứng vật lý mà vận tốc chất lỏng thông số hiệu ứng xãy chi tiết thử nghiệm Chi tiết thử nghiệm cấu tạo chất lỏng cần đo chi tiết thử nghiệm phần tử tạo nên cảm biến Khi chi tiết thử nghiệm chất lỏng cần đo, vận tốc chất lỏng xác định bởi: Áp xuất động; Hiệu ứng Doppler xãy với nguồn laser nguồn siêu âm Khi chi tiết thử nghiệm phần tử cảm biến đặt chất lỏng, vận tốc chất lỏng xác định đặc tính vật lý: Nhiệt độ điện trở sợi dây đốt nóng cung cấp nguồn DC Vận tốc quay chong chóng Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 45 8.8.1.Tốc độ kế loại cọng hay điện trở đun nóng  Người ta đặt vùng chất lỏng di chuyển, cọng điện trở đun nóng nhờ hiệu ứng Joule có nhiệt độ cao dòng chảy, xãy trao đổi nhiệt Việc trao đổi phụ thuộc đặc tính vật lý, vận tốc chất lỏng khoảng sai biệt nhiệt độ điện trở chất lỏng Nhiệt độ cân điện trở cảm biến xác định việc đo điện trở cảm biến, tương ứng với cơng suất Joule tiêu tán vận tốc dòng chảy xác định Kim loại dùng cảm biến có hệ số nhiệt điện trở cao, chất khí người ta dùng sợi bạch kim tungstène mảnh, chất lỏng cảm biến bạch kim mỏng đặt hình trụ cách điện có vỏ bọc Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 46 8.8.2.Tốc độ kế dạng cánh coupelles hélice  Loại tốc độ kế thiết kế bánh xe nước, gồm chi tiết thử nghiệm mang cánh dạng coupelles hay dạng cánh hélice, quay tác động dòng chảy Vận tốc quay V chóng chóng (được đo thiết bị đo vận tốc thích hợp) tỉ lệ với vận tốc U chất lỏng 1.Tốc độ kế dạng coupelles: Những coupelles có dạng nửa trái cầu rỗng, với số lượng hay tùy theo kiểu, gắn nhánh trục quay Đặt vùng chảy, coupelles quay tác động hệ số kéo có giá trị phụ thuộc vào dòng chảy tác động vào mặt hình bán cầu rỗng U = kV Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 47 2.Tốc độ kế loại hélice  Trục quay tốc độ kế hélice đặt song song với vận tốc dòng chảy Trong trường hợp khơng kể đến trượt, ta viết: U = hN Trong đó:  U: Vận tốc dòng chảy, N: Vận tốc quay hélice, h: số Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 48 8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng 8.9.1.Lưu lượng kế điện từ: Từ trường có độ lớn từ10-3 đến 10-2 Tesla, tạo nhờ cuộn dây đặt bên dây đo vật liệu không nhiễm từ, mặt dây đo phủ lớp cách điện chống lại ăn mòn di chuyển dòng chảy Hai điện cực để thu tín hiệu đặt đầu đường kính thẳng góc với đường sức Hai cuộn dây cung cấp dòng điện AC, tín hiệu thu có dạng: e = UDB0cos(ωt+Ф) Biên độ tín hiêu tỉ lệ với UD cở mV lấy nhờ hoàn điệu đồng Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 49 8.9.2.Lưu lượng kế khí với biến đổi tín hiệu điện  Một chi tiết thử nghiệm đặt thiết bị đo cho phép chất lỏng di chuyển tạo nên chuyển động turbine ( rotor turbine) dịch chuyển phao (phao rotamètre, palette) Một cảm biến thích hợp, cảm biến đo tốc độ quay trường hợp đầu, cảm biến đo vị trí trường hợp thứ hai tạo tín hiệu tỉ lệ với lưu lượng 1.Lưu lượng kế dạng turbine: Nguyên tắc giống thiết bị đo vận tốc có chong chóng quay dạng hélice Dòng chảy kéo turbine quay tròn trục quay có đặt thiết bị đo vận tốc quay tròn N tỉ lệ lưu lượng Q: Q = kN Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 50 2.Rotamètre  Được cấu tạo gồm phao nhỏ đặt phận hướng dẫn dạng côn theo chiều thẳng đứng Phao đạt vị trí cân mặt tác động lực đẩy Archimède lực kéo, mặt khác trọng lượng nó: ρgV + CxρSU2/2 = ρ0gV; Trong đó: V, ρ0: Thể tích khối lượng riêng phao; U, ρ: Vận tốc khối lượng riêng chất lỏng; Cx: Hệ số kéo; S = πD02/4: Tiết diện phao; g: Gia tốc trọng trường  Vị trí phao tỉ lệ với lưu lượng cần đo: Q = kZ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 51 3.Lưu lượng kế Palette  Dưới tác động thủy lực dòng chảy đẩy pa lét lên nhiều hay phụ thuộc vào lưu lượng , ngồi pa lét chịu tác động trọng lượng lực chiêu hồi lò xo Vị trí cân pa lét phụ thuộc vào lưu lượng biến đổi tín hiệu điện nhờ biến trở có trục quay gắn vào pa lét Đáp ứng tuyến tính hay khơng phụ thuộc vào mạch biến đổi tín hiệu Điều lợi loại cấu tạo đơn giản, chắn Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 52 8.9.3.Lưu lượng kế loại khối nhiệt  Thiết bị đo loại cảm biến cấu tạo miếng kim loại mỏng, đường kính nhỏ, bên ngồi miếng kim loại người ta đặt điện trở đun nóng đối xứng phiá điện trở có đặt cảm biến đo nhiệt độ tương ứng T1 T2 Khi lưu lượng khơng T1 = T2, có lưu lượng T1 giảm T2 tăng, độ sai biệt ΔT tỉ lệ với Q Cảm biến đo nhiệt độ cặp nhiệt điện nhiệt điện trở mắc vào nhánh cầu đo Wheatstone Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 53 8.10.Đo dò mực chất lỏng Việc ghi nhận liên quan đến mực chất lỏng thực hai hình thức: việc đo liên tục việc thăm dò đơn  Trong việc đo liên tục, cảm biến mạch biến đổi tạo tín hiệu điện mà độ lớn tần số gắn liền mực chất lỏng bồn chứa Bất kỳ lúc người ta biết xác thể tích chất lỏng có thể tích chứa chất lỏng  Trong việc thăm dò mực chất lỏng, ta bố trí thiết bị thăm dò, bao gồm cảm biến tạo thông tin kép biểu mực chất lỏng, đạt hay không đạt so với mực chất lỏng định trước Thăm dò mực cao cho phép việc ngừng cho thêm chất lỏng, tránh tràn đầy Thăm dò mực thấp dẫn đến ngừng xác đảm bảo số khối lượng chất lỏng dự trử tối thiểu Việc dò mực cao thấp chất lỏng cho phép thực thêm vào hay lấy lượng chất lỏng cách tự động Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 54 8.10.1.Phương pháp thủy tỉnh  Kết có việc bố trí thiết bị đo hoạt động liên tục theo độ cao mực chất lỏng, không phụ thuộc vào đặc tính điện phụ thuộc vào khối lượng riêng chất lỏng  H.a Một phao gắn liền với cảm biến đo vị trí nhờ hệ thống puli dây cáp, tạo tín hiệu điện gắn liền với mực chất lỏng  H.b Một trái chìm có độ cao gần mực chất lỏng cực đại, gắn liền với cảm biến đo lực, cảm biến chịu tác động lực phụ thuộc vào chiều cao h chất lỏng: F = P – ρgsh  Một cảm biến đo áp suất vi sai đặt đáy bình có áp suất P Cảm biến có chi tiết thử nghiệm dạng màng, biến dạng chi tiết thử nghiệm biến đổi thành tín hiệu tỉ lệ với h Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 55 8.10.2.Phương pháp điện 1.Cảm biến đo độ dẫn điện: Chỉ sử dụng chất lỏng dẫn điện, không ăn mòn, khơng đặc trưng cho tính cách điện Đầu dò cấu tạo điện cực hình trụ, điện cực bình chứa (bằng kim loại) Đầu dò cung cấp điện áp AC có trị số thấp (khoảng 10V) Để đo mực chất lỏng, đầu dò đặt theo phương thẳng đứng chiều dài chung h điện cực thay đổi theo mực chất lỏng Dòng điện tạo có độ lớn tỉ lệ với chiều dài điện cực nằm chất lỏng, giá trị phụ thuộc độ dẫn điện chất lỏng Để dò mực chất lỏng, ta đặt điện cực ngắn theo chiều ngang tương ứng mực chất lỏng Dòng điện có biên độ khơng đổi xuất mực chất lỏng đạt đến vị trí đầu dò Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 56 2.Cảm biến đo điện dung  Khi chất lỏng chất cách điện, tụ điện hình thành điện cực, điện cực vỏ bình chứa kim loại Môi trường điện môi bao gồm chất lỏng khoảng điện cực chìm chất lỏng khơng khí phần điện cực bên ngồi Việc gắn điện cực để đo dò mực chất lỏng giống trường hợp đo độ dẫn điện Người ta thường sử dụng phương pháp єr >2 Trường hợp chất lỏng dẫn điện, người ta sử dụng điện cực bao phủ vật liệu cách điện, đóng vai trò điện mơi tụ điện cực lại hình thành tiếp xúc với chất lỏng dẫn điện Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 57 ... đối vật liệu sắt từ Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 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  L Điện cảm L cuộn dây có nòng di động : N2 µ0 l ... Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm: L1eq = L1 - M2ω2L2/(R22+L22ω2) Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 18 8.2.Cảm biến đo tốc độ  Trong công nghiệp, đo tốc độ quay thường gặp  Trong trường hợp đo vận... nên khơng có vùng chết thường dùng để đo vận tốc bé Bài giảng Đo điện 12/2007 Đ QT 27 8. 3.Đo nhiệt độ điện trở 8. 3.1.Độ nhạy nhiệt: Một cách tổng quát giá trị điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ T: