KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TS LÊ NGỌC TRÂN Email: lengoctranbvu@gmail.com Nội dung Tổng quan đo lường, điều khiển giám sát tự động ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý cảm biến Cảm biến đo lường ứng dụng Một số khái niệm đo lường ĐO LƯỜNG 𝑨 = 𝒌 𝑩 Đại lượng cần đo Giá trị đo (trị số kết đo) Đơn vị đo Ví dụ I = 15 A m = 150 kg Phân loại đo lường theo sở sau  Lĩnh vực đo : Đại lượng học, đại lượng nhiệt, điện, hóa lý…  Đặc tính đại lượng cần đo : Các đại lượng biến thiên chậm/ nhanh  Mục đích đo : đo thực nghiệm/ dùng điều khiển tự động…  Phương pháp đo : đo trực tiếp/ gián tiếp/đo hợp bộ/đo lần… Một số khái niệm đo lường Điều kiện đo  Điều kiện cần : Điều kiện để thực đo lường  Điều kiện đủ : Để phép đo có độ xác cao Các hệ đơn vị đo khác giới  CGS (centimeter Gramme Seccond)  Hệ Anh (English)  Hệ MKS (Meter Kilogram Second)  Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere)  Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu…)  Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân …)  Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (International System of Units) Chiều dài Khối lượng Cường độ dòng điện Cường độ ánh sáng Lượng chất mol mét kilogam Ampe Candela mol m kg A Cd mol Thời gian Nhiệt độ Góc phẳng Góc khối giây Kelvin radian steradian s K rad Sr Một số khái niệm đo lường Từ đơn vị đo ta có đơn vị kéo theo Diện tích Thể tích Khối lượng riêng Thể tích riêng Tốc độ Gia tốc Lực Áp suất Công suất Nhiệt dung riêng Công, nhiệt lượng Độ nhớt động lực học Độ nhớt động học Hệ số dẫn nhiệt Hệ số cấp nhiệt F V  v  a F P P C W     m2 m3 kg/m3 m3/kg m/s m/s2 N Pa W J/kg.K J Pa.s m2/s W/m.K W/m2.K Tín hiệu đo chuyển đổi tín hiệu đo  Tín hiệu đo: Nhiệt độ, điện trở, cường độ dòng điện, áp suất, âm thanh…và chia làm loại : Tin hiệu điện/ tín hiệu Tín hiệu đo chuyển sang dạng hiển thị : Tín hiệu điện, tín hiệu  Chuyển đổi tín hiệu đo Tín hiệu khơng điện Khuếch đại; Chỉnh lưu; cân Tín hiệu điện Chuyển đổi sơ cấp Chuyển đổi trung gian  Cách thực phép đo o Đo trực tiếp / Đo gián tiếp o Đo lần / Đo nhiều lần o Đo tiếp xúc/ Đo khơng tiếp xúc Truyền tín hiệu Chuyển đổi truyền tải … Cấu trúc phương tiện đo Cảm biến & chuyển đổi sơ cấp Mạch đo Bộ hiển thị Cấu trúc phương tiện đo  Mạch đo o Mạch tỉ lệ o Mạch khuếch đại o Mạch gia cơng tính tốn o Mạch so sánh o Mạch tạo hàm o Mạch biến đổi A/D, D/A  Bộ hiển thị o Hiển thị kim thị o Hiển thị dụng cụ ghi o Hiển thị số Định nghĩa Cảm biến  Trong HT điều khiển công nghiệp, biến cần đo giám sát đại lượng vật lý như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, lực, Các đại lượng vật lý khơng có tính chất điện, BĐK Cơ cấu thị làm việc với tín hiệu điện phải có thiết bị chuyển đổi đại lượng vật lý khơng có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ tính chất đại lượng vật lý cần đo Thiết bị gọi Cảm biến (Thiết bị đo) Các đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,…) Cảm biến Các đại lượng điện (điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện) Cấu trúc thiết bị đo Sensor Đại lượng đo (Nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, ) Transducer Thiết bị đo PT Cảm biến Bộ chuyển đổi tín hiệu đo Transmitter Tín hiệu chuẩn (4-20mA, 010V, ) Tín hiệu bus Chỉ báo Indicator Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến  Hiệu ứng cảm ứng điện từ:  Khi dẫn chuyển động từ trường xuất sức điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông nghĩa tỷ lệ với tốc độ chuyển động dẫn  Hiệu ứng ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến  Hiệu ứng quang điện:  Bản chất hiệu ứng quang điện tưởng giải phóng hạt dẫn tự vật liệu tác dụng xạ ành sáng  Ứng dụng chế tạo cảm biến quang Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến  Hiệu ứng HALL: Khi đặt vật dẫn mang dòng điện vào từ trường, điện áp tạo vng góc với hai dòng điện từ trường Nguyên lý gọi hiệu ứng Hall Một vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có dòng điện chạy qua Kết nối ngõ vng góc với chiều dòng điện Khi khơng có từ trường đặt vào, phân bố dòng khơng đổi khơng có khác biệt điện áp ngõ Khi đặt từ trường vng góc thêm vào , lực Lorent tác dụng lên dòng điện Lực làm nhiễu loạn phân bố dòng điện, kết tạo khác biệt điện áp ngõ Điện áp gọi điện áp Hall Sự tương tác từ trường dòng điện biểu thức KH: hệ số phụ thuộc vào vật liệu kích thước hình học vật liệu Một số nguyên lý mạch đo cảm biến  Mạch cầu Wheatstone:  R3 R2  Vo     Vs  R3  R4 R2  R1  R1 R3  R2 R4 Vo  Vs ( R3  R4 )( R2  R1 ) • Khi chọn R1/R2=R4/R3, ta có R1R3=R2R4 có nghĩa điện áp Vo=0 Đây gọi điều kiện cân mạch cầu Wheatstone  Sử dụng phổ biến mạch cảm biến tính chất mạch cầu nhạy với thay đổi  Sử dụng mạch cầu trường hợp mắc vi sai cho quan hệ tuyến tính điện áp đại lượng biến đổi  Sử dụng mạch cầu giúp triệt tiêu nhiễu tác động lên phần tử cảm biến Một số nguyên lý mạch đo cảm biến  IC khuếch đại thuật tốn Op-Amp (Operator Amplifier): Cơng dụng: Khuếch đại (Amplifier), So sánh (Comparator), thực phép toán (cộng, trừ, vi tích phân) Ký hiệu: Ngõ vào khơng đảo In+ Đặc điểm: Khi In+ > In- : Áp dương (>0) Khi In+ = In- : 0V InNgõ vào không đảo Khi In+ < In- : Áp âm ( làm tăng hệ số khuếch đại tín hiệu Các mạch ứng dụng IC khuếch đại thuật toán  Ghép khuếch đại đảo dấu:  Nếu ta ghép R2 hồi tiếp ngõ vào (-) tín hiệu cho vào ngõ vào (-) ta nhận tín hiệu ngõ mạnh ngược pha với tín hiệu ngõ vào Các mạch ứng dụng IC khuếch đại thuật toán  Ghép thành mạch cộng: Mạch cộng thuận Mạch cộng ngược Vin Rht Vo Vi1 Vi2 Vin R1 Vi2 Vi1 Vo R2 Rn Các tín hiệu Vi1 ,Vi2, trộn với ngõ (+) ngõ (-) nhận hồi tiếp qua Rht ngõ Vo:  Rht Rht  Vo   Vi1  Vi2  R2  R1   Rht Các tín hiệu Vi1 ,Vi2, trộn với ngõ (-) nhận hồi tiếp qua Rht ngõ Vo xem cộng đảo tín hiệu vào:  Rht Rht  Vo    Vi1  Vi2  R2  R1  Ghi chú: muốn thực phép nhân ta suy biến từ phép cộng Tổng quát: m x n = m + m + m + + m Các mạch ứng dụng IC khuếch đại thuật toán  Ghép thành mạch trừ: R  R Vo   Vi2  Vi1  R1   R1 Nếu tín hiệu Vi1 cho vào ngõ (-) nhận hồi tiếp qua R2 tín hiệu Vi2 cho vào ngõ (+) tín hiệu Vo lấy ra:  Ghi chú: muốn thực phép chia ta suy biến từ phép trừ Ví dụ: : =4 Các bước thực hiện: dò x xem vừa không?  lấy kết trừ cho xem phải nhỏ dừng Các mạch ứng dụng IC khuếch đại thuật toán  Ghép mạch tích phân: t2 Vo   Vin dt  RC t1 t1, t2: thời điểm đầu thời điểm xét  Nếu cho tín hiệu Vin cho vào ngõ (-) mắc hồi tiếp trở qua tụ C, tín hiệu Vo lấy ra:  Nếu ta cho tín hiệu xung vng vào ngõ (-) ngõ ta tín hiệu tam giác Các mạch ứng dụng IC khuếch đại thuật toán  Ghép mạch vi phân: Vo   RC dVin dt  Nếu cho tín hiệu Vin cho vào ngõ (-) nối tiếp với tụ C nhận hồi tiếp qua R, tín hiệu Vo lấy ra:  Nếu ta cho tín hiệu xung tam giác vào ngõ (-) ngõ ta tín hiệu xung vng Các mạch ứng dụng IC khuếch đại thuật toán  Mạch hàm logarith:  Vin  Vo  VT ln   RI  S VT điện áp nhiệt diode, IS dòng điện bảo hòa ngược diode  Mạch hàm lũy thừa: Vo   RI S e Vin VT Một số ứng dụng mạch đo Đại lượng cần đo Cảm biến X Vo  X Khuếch đại (hệ số K) X X Đại lượng cần đo X Cảm biến Vo  X Logarith Mạch nhân  ln X K X Mạch Vout  K X chia X2 Khuếch đại đảo ln X Lũy thừa X Khuếch Vout  K X đại (hệ số K) Tóm tắt chương  Khái niệm cảm biến  Cấu trúc cảm biến  Các tính chất cảm biến  Phân loại cảm biến  Nguyên lý hình thành cảm biến  Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến  Một số nguyên lý mạch đo cảm biến Nhận dạng hiệu ứng vật lý