Slide môn đo lường công nghiệp

Chương 1: Cảm biến và Thu thập dữ liệuChương 2: Đặc trưng của cảm biếnChương 3: Cảm biến đo nhiệt độ Chương 4: Cảm biến đo dịch chuyển, vị tríChương 5: Cảm biến đo vận tốc, gia tốcChương 6: Cảm biến đo lưu lượngChương 7: Cảm biến đo mứcChương 8: Cảm biến đo biến dạng, lực, áp suấtChương 9: Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu

Giảng viên: Nguyễn Đức HoàngBộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện TửĐại Học Bách Khoa Tp.HCMEmail: ndhoang@hcmut.edu.vn

MÔN HỌC

Nội dung môn học (9

chương)

(14 tuần = 28 tiết LT + 14 tiết BT)Chương 1: Cảm biến và Thu thập dữ liệu

Chương 2: Đặc trưng của cảm biến

Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ

Chương 4: Cảm biến đo dịch chuyển, vị trí

Chương 5: Cảm biến đo vận tốc, gia tốc

Chương 6: Cảm biến đo lưu lượng

Chương 7: Cảm biến đo mức

Chương 8: Cảm biến đo biến dạng, lực, áp suất

Chương 9: Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu

Tài liệu tham khảo

Tài liệu: Giáo trình Cảm biến Công nghiệp

Th.S: Hoàng Minh Thông

Handbook of Modern Sensors

Jacob Fraden

Sensors and Signal Conditioning

• 40% thi cuối kỳ (viết 60’)

CẢM BIẾN & THU THẬP DỮ LIỆU

CHƯƠNG 1

Nội dung chương 1

Khái niệm cảm biến

Khái niệm cảm biến

Chức năng và luồng tín hiệu trong 1 hệ thống

đo và điều khiển

Khái niệm cảm biến

Cảm biến là thiết bị thu nhận kích thích (stimulus) và đáp ứng lại bằng tín hiệu điện.

Kích thích là lượng, tính chất hay điều kiện được cảm nhận và biến đổi thành tín hiệu điện.

 Cảm biến là bộ chuyển đổi giá trị

không điện thành giá trị điện

 Tín hiệu ra của cảm biến có dạng: áp,

dòng hay điện tích.

Khái niệm cảm biến

Phân biệt cảm biến (sensor) và bộ chuyển đổi (tranducer).

Tranducer: biến đổi dạng năng lượng này sang dạng khác.

Sensor: biến đổi dạng năng lượng bất kỳ sang điện.

Ví dụ: tranducer: loa phát thanh biến đổi tín hiệu điện thành từ trường biến thiên

 sóng âm.

Tranducer có thể là một phần của cảm biến phức tạp.

Khái niệm cảm biến

Ví dụ: cảm biến hóa gồm 1 bộ phận biến đổi năng lượng phản ứng hóa học thành nhiệt (tranducer) và 1 bộ phận (pin nhiệt điện) biến đổi nhiệt thành tín hiệu điện.

Phân loại cảm biến

Tùy vào mục đích phân loại, các tiêu chuẩn khác nhau có thể được chọn (xem sách).

Cảm biến được chia làm 2 loại: thụ động và tích cực

lượng phụ, nó tạo ra tín hiệu điện trực tiếp khi có kích thích bên ngoài

VD: cặp nhiệt điện, diode quang.

ngoài để hoạt động, gọi là tín hiệu kích thích VD: điện trở nhiệt.

Phân loại cảm biến

Ngoài ra, cảm biến có thể được chia làm 2 loại: tuyệt đối và tương đối.

VD: Điện trở nhiệt là cảm biến tuyệt đối: điện trở tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối (K) Cặp nhiệt điện là cảm biến tương đối: điện áp tỉ lệ với hiệu nhiệt độ.

Hệ thống thu thập dữ

liệu

Ví dụ hệ thống thu thập

dữ liệu

Ví dụ hệ thống thu thập

dữ liệu

Giảng viên: Nguyễn Đức HoàngBộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện TửĐại Học Bách Khoa Tp.HCMEmail: ndhoang@hcmut.edu.vn

MÔN HỌC

ĐẶC TRƯNG CỦA CẢM BIẾN

CHƯƠNG 2

Nội dung chương 2

2.1 Transfer Function

2.14 Output Impedance

2.16 Dynamic Characteristics

2.17 Environmental Factors

2.19 Application Characteristics

2.20 Uncertainty

Transfer Function

Transfer Function (Hàm truyền ): biểu diễn mối quan hệ giữa ngõ ra với ngõ vào (kích thích).

Hàm này thiết lập sự phụ thuộc giữa tín hiệu điện y tạo ra bởi cảm biến với kích

x xdy

S x

dx 

Span (Full-Scale Input)

Span (FS): tầm ngõ vào mà cảm biến có thể biến đổi.

Nó biểu diễn giá trị vào cao nhất có thể mà khi đưa vào cảm biến không gây ra sai số lớn.

Full-Scale Output

Full-Scale Output (FSO): sai lệch giữa các tín hiệu ra khi kích thích lớn nhất và kích thích nhỏ nhất.

Accuracy (Độ đúng): sai lệch lớn nhất của giá trị biểu diễn bởi cảm biến với giá trị đúng (ngõ vào).

Ví dụ: Một cảm biến dịch chuyển có độ nhạy b = 1mV/mmTN: s = 10mm  S = 10.5mV

Sai số ?

Phân biệt Accuracy (Độ đúng) với Precision (Độ chính xác)

Độ chính xác caoĐộ đúng thấp

Sai số hệ thống

Độ chính xác thấp

Độ đúng cao

Sai số ngẫu nhiên

Độ chính xác caoĐộ đúng cao

Nếu dung sai của cảm biến và dung sai của mạch giao tiếp lớn hơn độ chính xác yêu

cầu  calib (chuẩn định).

Ví dụ: sử dụng cảm biến có độ chính xác

?Được nếu cảm biến được calib.Calib: xác định các tham số mô tả hàm truyền.

Hàm tuyến tính: cần ít nhất 2 điểm để xác

Hàm phi tuyến: cần nhiều hơn 2 điểm hoặc dùng pp tuyến tính hóa từng đoạn.

Calibration Error

Calibration error: độ chính xác cho phép khi calib cảm biến trong nhà máy.

Ví dụ: Calib cảm biến tuyến tính.a 1 21

21

a a

s sb b

s s   

    



Hysteresis (độ trễ): sai lệch ngõ vào

của cảm biến tại một tín hiệu ngõ ra khi tiến từ các

hướng ngược nhau.

Nonlinearity (độ phi tuyến): sai lệch lớn nhất của hàm truyền thực so với đường

thẳng xấp xỉ.PP xác định độ phi tuyến:

+ Điểm kết thúc.+ Bình phương cực tiểu.

Mỗi cảm biến có các giới hạn hoạt động Khi tăng kích thích tới một mức nào đó thì

ngõ ra không đáp ứng nữa  bão hòa

Dead Band

Dead Band (dải chết): độ không nhạy của

cảm biến trong một khoảng ngõ vào nào đó.

Output Impedance

Output Impedance (trở kháng ngõ ra).

Mạch giao tiếp phải có trở kháng vào cao đối với CB có ngõ ra áp, trở kháng vào thấp đối với CB có ngõ ra dòng (?)

Dynamic Characteristics

Dynamic Characteristics (đặc trưng động): mô tả hành vi của cảm biến khi ngõ vào

thay đổi.

Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 0.

x

rm

Vk

x

Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 1.

   

dy taa y tx t

Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 1.VD: Nhiệt kế

Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 2.

Trong

1

Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 2.Các thông số đặc trưng cho hệ bậc 2

2

1

ns

n



Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 2.Các thông số đặc trưng cho hệ bậc 2

2

2

1arctan

Thời gian lên:

Thời gian tại đỉnh

2

1

Dynamic Characteristics

Các hệ thống đo bậc 2.VD: Cảm biến đo gia tốc

Mạch giao tiếp

Đầu ra của cảm biến nói chung không phù hợp với tải (phía sau nó) về điện áp, công suất,…(tín hiệu ra nhỏ, thay đổi theo đầu vào)  cần mạch giao tiếp hay mạch gia công tín hiệu.

Ví dụ

MỘT SỐ MẠCH XỬ LÍ TÍN HIỆU

Mạch cầu Wheatstone

Mạch cầu Wheatstone thường được dùng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, ứng suất, áp suất, từ trường,…

Mạch lặp điện áp

Mạch khử điện áp lệch

Bộ khuếch đại đo lường

IA

Nguồn điện áp áp

chính xác

Pin Weston tạo áp chuẩn 1.018V nhưng do có nội trở 1-2K nên sẽ không chính xác khi dòng cở A  khắc phục bằng mạch như

trên với khả năng tải dòng 5mA.

Giảng viên: Nguyễn Đức HoàngBộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện TửĐại Học Bách Khoa Tp.HCMEmail: ndhoang@hcmut.edu.vn

MÔN HỌC

CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

CHƯƠNG 3

Nội dung chương 3

Nguyên lý đo nhiệt (tt)

Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến

Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại

Cảm biến bị tác động của môi trường đo, gây ra sai số khi đo nhiệt độ Yêu cầu: cực tiểu sai số (thiết kế cảm biến thích hợp

hoặc pp đo chính xác)

Nguyên lý đo nhiệt (tt)

Có 2 pp xử lý tín hiệu nhiệt độ:

+ Cân bằng+ Dự báo

PP cân bằng: nhiệt độ xác định hoàn toàn khi không có sự sai lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề mặt đo và nhiệt độ cảm biến, tức là cân bằng nhiệt đạt đến giữa cảm biến và đối tượng đo

PP dự báo: cân bằng nhiệt không đạt đến trong thời gian đo, nhiệt độ được xác định thông qua tốc độ thay đổi nhiệt của cảm biến

Thang đo nhiệt và đơn

vị

Có 4 thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ

+ Celsius / Fahrenheit được sử dụng trong các thang đo hàng ngày

+ Kelvin / Rankine được sử dụng khi làm việc với thang nhiệt độ tuyệt đối (thường được dùng trong các tính toán khoa học và kỹ thuật)

+/- 460

Metric

Celsius (⁰C) / Kelvin (⁰K)

+/- 273

Thermistor: điện trở nhạy với nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ

Mô hình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:

k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương (PTC)

k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm (NTC)

Thermistor

Thermistor NTC được sử dụng ở 3 chế độ hoạt động khác nhau:

+ Chế độ điện áp – dòng điện+ Chế độ dòng điện – thời gian+ Chế độ điện trở - nhiệt độ

Chế độ điện áp – dòng điện

Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị hoạt động ở chế độ điện áp – dòng điện

Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện môi trường, ví dụ như sự thay đổi của lưu lượng khí qua cảm biến

Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử

Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm

Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng của các gai áp cao

Thermistor

Chế độ dòng điện – thời gian

Ở chế độ điện trở - dòng điện, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất zero,

nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng

Thermistor

Chế độ điện trở – nhiệt độ

Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor là phương trình Steinhart - Hart

Thermistor

Chế độ điện trở – nhiệt độ

13

Mô hình đơn giản xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor

Thermistor

Chế độ điện trở – nhiệt độ

0

1 10

BT TT

B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor

3540K )

Dùng mạch cầu Wheatstone

Mạch gia công tín

hiệu

Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song

Tuyến tính hóa đặc

trưng R/T

Sử dụng điện trở mắc nối tiếp hoặc song song

Tuyến tính hóa đặc

trưng R/T

Ưu nhược điểm

+ Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,…

+ Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động

1 k5 k

Vo+5V

1 kThermistor5 k

Ví dụ

10V dc

00

R 210k

R 6 5k

Vo

+

-3

R 310kR 1

R 410k

-R 7 5k

Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt nóng thì có một dòng điện chạy trong mạch

Thermocouple

Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại

Thermocouple

Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ :

eAB = T: hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ

VD: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000C = 12.2mV

Thermocouple

Các loại Thermocouple

1.Dòng nhiệt điện không thể tạo ra trong các mạch đồng nhất

2 Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các chỗ tiếp giáp như nhau

Các định luật Thermocouple

3 Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 = V1 + V2

Các định luật Thermocouple

Không thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì:

Phải nối vôn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn vôn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác

Đo điện áp Thermocouple

Muốn tìm nhiệt độ

tại J1 phải biết

nhiệt độ tại J2

Lớp tiếp giáp tham

Lớp tiếp giáp tham

chiếu

VT T

Mạch tham chiếu

Thay khối Ice Bath bởi khối Isothermal

Mạch tham chiếu

Áp dụng định luật 2

Mạch tham chiếu

Mạch tương đương

VT T

Đo RT  TREF  VREF

Đo VV1=V+VREF TJ1

Ưu nhược điểm Thermocouple

Ưu điểm

+ Giá thành thấp+ Ổn định cơ học+ Tầm hoạt động rộng (-200 0C ÷ 2000 0C)

Nhược điểm

+ Độ nhạy thấp (V/ 0C)+ Cần phải biết nhiệt độ tham chiếu

+ Yêu cầu calib định kì

Ví dụ

Cho Thermocouple loại J có độ nhạy 

Ví dụ

Tính điện áp V1 và V2 ? Thermocouple loại

Ví dụ

Tính điện áp tại chân AN0 và AN1?

35 0C

Ví dụ

Tính điện áp Vout ? Thermocouple loại K

Khuếch đại công cụ

RTD (Resistance Temperature Detector) là cảm biến nhiệt dựa vào hiện tượng

điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăngVí dụ: RTD platin 100.

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của RTD được biểu diễn bằng phương trình đơn giản sau:

RTD

Để đo nhiệt độ có tầm đo lớn hay độ chính xác cao ta sử dụng phương trình Calendar Van – Dusen như sau:

RTD

Sử dụng RTD platin 100  để đo nhiệt độ Nếu điện trở hiện tại của platin là 110  thì nhiệt độ đo được bằng bao nhiêu? (so sánh kết quả khi sử dụng 2 phương trình trên)

Ví dụ RTD

Có 3 pp nối dây được sử dụng

PP nối dây RTD

Ưu nhược điểm RTD

Mạch kích dòng RTD

Mạch ứng dụng RTD

Hầu hết các cảm biến nhiệt IC sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của nhiệt độ.

Các cảm biến nhiệt IC thông dụng:+ LM135, LM235, và LM335: 10mV/K output

+ LM35 : 10mV/0C output+ LM34 : 10mV/0F output+ AD590 : 1 μA/K output

Cảm biến nhiệt IC

Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM135, LM235, LM335.

Điều chỉnh biến trở để hiệu chỉnh điện áp ngõ ra tại nhiệt độ đã biết (vd: 2.982V tại 25 0C)

Nối dây cảm biến

nhiệt IC

Đây là sơ đồ nối dây tiêu biểu cho LM34, LM35, LM45.

Nối dây cảm biến

nhiệt IC

Ưu nhược điểm cảm biến

Nhược điểm

+ Tầm nhiệt độ thấp (-55 0C ÷ 150 0C)

+ Cần mạch kích

Ví dụ

Ví dụ

Tính điện áp ngõ ra khi nhiệt độ đo là

300C.

Ví dụ

Bài tập RTD

Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và hệ số tiêu tán nhiệt  = 6mW/K khi ở trong không khí và  = 100mW/K khi nhúng trong nước Tính dòng điện tối đa qua cảm biến để giữ sai số do đốt nóng dước 0.10C.

Giải: Nhiệt độ tăng khi tiêu tán lượng công suất PD là:

R





Bài tập RTD

VD: Cho RTD Pt100 có điện trở 100 và có  = 0.00389//K tại 00C Tính độ nhạy và hệ số nhiệt tại 250C và 500C?

Hệ số nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng

Bài tập Thermistor

VD: Tính độ nhạy Thermistor có B = 4200K tại 00C và 500C

2

TT

0.0563 /0.0402 /

KK





Bài tập Thermistor

ĐS: Dòng điện tối đa tại 00C (Rmax = 13640) I < 0.8 mA Thermistor 2322 640 90007 có R25 = 12k, R90 = 1.3k và  = 10mW/K trong nước Cảm biến này được sử dụng đo nhiệt độ nước từ 00C và 1000C Tính dòng điện tối đa qua cảm biến để giữ sai số do đốt nóng dước 0.50C.

Bài tập Thermistor

ĐS: 17.8K, 27.13K, 16.43K.Mạch khuếch đại DC có 3 độ lợi khác nhau tại 3 nhiệt độ khác nhau Thermistor NTC có R20 = 30K và B = 4000K Tính các giá trị điện trở: Rs , Rp , RG để tại các nhiệt độ 150C, 250C và 350C mạch có độ lợi tương ứng: 0.9, 1.0, 1.1 ?

1000

100

0.1* 0.1

rrr

r

R

RR V

 

Bài tập Thermistor

Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 200C đến 1000C với độ phân giải 0.10C, Pt100 có điện trở 100 và có  =

0.00385//K tại 00C và  = 40mW/K Tính Rr để ngõ ra có độ nhạy 1mV/0C Vr = 5V

rrr

S





Bài tập Thermistor

Sử dụng mạch bên dưới để đo nhiệt độ 00C đến 500C với độ phân giải 0.250C, Pt1000 có điện trở 1000 và có  =

0.00375//K tại 250C Tính R1 , R2 , Rp và Vref ngõ để dòng qua cảm biến 50V và áp ra 0 đến 2V

Giảng viên: Nguyễn Đức HoàngBộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện TửĐại Học Bách Khoa Tp.HCMEmail: ndhoang@hcmut.edu.vn

MÔN HỌC

CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

CHƯƠNG 3

Nội dung chương 3

Nguyên lý đo nhiệt (tt)

Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến

Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại

Cảm biến bị tác động của môi trường đo, gây ra sai số khi đo nhiệt độ Yêu cầu: cực tiểu sai số (thiết kế cảm biến thích hợp

hoặc pp đo chính xác)

Nguyên lý đo nhiệt (tt)

Có 2 pp xử lý tín hiệu nhiệt độ:

+ Cân bằng+ Dự báo

PP cân bằng: nhiệt độ xác định hoàn toàn khi không có sự sai lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề mặt đo và nhiệt độ cảm biến, tức là cân bằng nhiệt đạt đến giữa cảm biến và đối tượng đo

PP dự báo: cân bằng nhiệt không đạt đến trong thời gian đo, nhiệt độ được xác định thông qua tốc độ thay đổi nhiệt của cảm biến