KT CẢM BIẾN CD - Nguồn: BCTECH

Làm việc theo nguyên tắc tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn, VD: chuyển động quay cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hóa gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các[r]

UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

GIÁO TRÌNH

MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 297/QĐ-CĐKTCN ngày 24 tháng 08 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT)

BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2020

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập nghiên cứu cho giảng viên sinh viên nghề Điện công nghiệp trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu Chúng thực biên soạn tài liệu Kỹ thuật cảm biến

Tài liệu biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy học tập, lưu hành nội nhà trường nên nguồn thông tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo

1

LỜI GIỚI THIỆU

Cùng với phát triển không ngừng lĩnh vực tự động hóa, ngày cảm biến ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp đời sống

Các cảm biến ngày hoàn thiện với nguyên lý mới, vật liệu kỹ thuật chế tạo gọn, nhỏ, mỏng Vì vậy, tìm hiểu cảm biến môn học bắt buộc nhiều trường đào tạo khối kỹ thuật, đặc biệt đào tạo ngành thuộc ngành điện như: Điện công nghiệp, điện tử tự động hóa

Cuốn giáo trình “Kỹ thuật cảm biến” biên soạn cho sinh viên trình độ cao đẳng nghề Nên chúng tơi đưa loại cảm biến thông dụng Mỗi cảm biến đề cập đến nét khái quát chung, nguyên lý cấu tạo, nguyên lý làm việc đặt trưng

Mặc dù có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong muốn độc giả góp ý trao đổi, để bổ sung cho giáo trình sau hoàn thiện

Bà Ria – Vũng Tàu, ngày tháng năm 2020 Tham gia biên soạn

2 MỤC LỤC

Trang

LỜI GIỚI THIỆU

BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG BỘ CẢM BIẾN

1 Khái niệm cảm biến

2 Phạm vi ứng dụng

3 Phân loại cảm biến

BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

1 Đại cương

1.1 Thang đo nhiệt độ

1.2 Nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo

2 Cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở

2.1 Nhiệt điện trở kim loại (PTR NTR)

2.2 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 10

2.3 Nhiệt điện trở Oxit kim loại (NTC, PTC) 13

3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM34/LM35 13

3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc 13

3.2 Sơ đồ kết nối 14

3.3 Đặc điểm 16

4 Cảm biến nhiệt kế xạ 16

5 Ứng dụng cảm biến nhiệt độ 17

BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 19

1 Khái niệm chung 19

1.1 Đặc điểm 19

1.2 Các thuật ngữ thường dùng 19

2 Cảm biến tiệm cận điện cảm 21

2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 21

2.2 Đặc tính kỹ thuật 21

2.3 Sơ đồ kết nối cảm biến 22

2.4 Ứng dụng 23

2.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm 24

3 Cảm biến tiệm cận điện dung 26

3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 26

3.2 Đặc tính kỹ thuật 26

3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến 27

3.4 Ứng dụng cảm biến điện dung 29

3.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm 29

BÀI 4: KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN 32

1 Đại cương 32

1.1 Cấu trúc chung 32

1.2 Nguyên tắc hoạt động 33

1.3 Phân loại cảm biến quang điện 34

1.4 Các chế độ hoạt động cảm biến quang điện 35

1.5 Yêu cầu lắp đặt cảm biến 36

2 Cảm biến quang thu phát độc lập 37

2.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động 37

2.2 Đặc tính kỹ thuật 38

3

2.4 Ứng dụng 39

2.5 Lắp mạch điện 40

3 Cảm biến quang phản xạ gương 41

3.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động 41

3.2 Đặc tính kỹ thuật 42

3.3 Sơ đồ kết nối 42

3.4 Ứng dụng cảm biến quang loại phản xạ gương 43

3.5 Lắp đặt mạch điện 47

4 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán 47

4.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động 47

4.2 Đặc tính kỹ thuật 48

4.3 Sơ đồ kết nối 48

4.4 Ứng dụng 49

4.5 Lắp mạch điện 50

BÀI 5: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VÀ GÓC QUAY 52

1 Các phương pháp đo vận tốc vòng quay 52

1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ (analog) 52

1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung (Digital) 52

2 Cảm biến đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 52

2.1 Tốc độ kế chiều (Máy phát tốc DC) 52

2.2 Tốc độ kế xoay chiều (Máy phát tốc AC) 53

3 Cảm biến đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 54

3.1 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa 54

3.2 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tương đối 55

3.3 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tuyệt đối 57

4 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 59

4.1 Các đại lượng liên quan 59

4.2 Cảm biến điện trở từ 60

5 Ứng dụng 62

6 Lắp mạch đo vận độ góc quay dùng Encoder 64

6.1 Thiết bị 64

6.2 Trình tự thực 78

BÀI 6: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC 80

1 Cảm biến siêu âm 80

1.1 Cấu trúc 80

1.2 Nguyên lý hoạt động 80

1.3 Ưu, nhược điểm 81

1.4 Ứng dụng 81

2 Cảm biến màu sắc 82

2.1 Cấu trúc 82

2.2 Nguyên tắc hoạt động 82

2.3 Đặc điểm 82

2.4 Ứng dụng 82

3 Cảm biến trọng lượng Load cell 84

3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 84

3.2 Phân loại 85

3.3 Loadcells tương tự Loadcells số 86

4

4 Cảm biến lưu lượng 88

4.1 Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất 89

4.2 Cảm biến lưu lượng điện từ 91

5 Cảm biến áp suất 92

5.1 Khái niệm 92

5.2 Nguyên lý đo áp suất 93

5.3 Ứng dụng 95

5

GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơn học/mơ đun: Kỹ thuật cảm biến

Mã môn học/mô đun: MĐ19

Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun

- Vị trí: Mơ đun phải học sau mơ đun Mạch điện, Điện tử bản, Đo lường điện, Trang bị điện học trước mô đun PLC

- Tính chất: Là mơđun chun mơn bắt buộc nghề Điện công nghiệp hệ cao đẳng trung cấp

- Ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: Mô đun trang bị cho học viên kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế loại cảm biến…với kiến thức học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn học khác PLC, Điều khiển điện – khí nén …

Mục tiêu mơn học/mơ đun: - Về kiến thức:

+ Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật loại cảm biến

+ Phân tích nguyên lý hoạt động mạch điện dùng cảm biến nhiệt, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang

+ Nhận biết lỗi cảm biến mạch điện ứng dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận

- Về kỹ năng:

+ Lựa chọn cảm biến phù hợp cho dây chuyền sản xuất tự động

+ Vẽ sơ đồ mạch ứng dụng cảm biến nhiệt độ cảm biến quang, cảm biến tiệm cận + Lắp đặt, đấu nối loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang, Encoder

- Về lực tự chủ trách nhiệm:

Người học có khả làm việc độc lập làm nhóm, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn học tập rèn luyện, có ý thực tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc

6 BÀI

ĐẠI CƯƠNG BỘ CẢM BIẾN Giới thiệu

Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giúp người nhận biết q trình làm việc tự động máy móc tự động hố cơng nghiệp

Cảm biến làm nên cách mạng cho thông minh thiết bị máy móc Mục tiêu

- Trình bày cấu tạo, đặc tính ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn

- Lắp đặt mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn yêu cầu kỹ thuật

- Rèn luyện tính cẩn thận, kỹ làm việc nhóm Nội dung

1 Khái niệm cảm biến

Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa giác quan – giác quan thể người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện thu nhân thơng tin từ bên ngồi Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động tự động hiển thị thông tin đại lượng cảm nhận hay điều khiển q trình định trước có khả thay đổi cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động

Để dễ hiểu so sánh cảm nhận cảm biến qua giác quan người sau: giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến

Thị giác Xúc giác Vị giác Thính giác Khứu giác

Ánh sáng, hình dạng, kích thước, vị trí xa gần, màu sắc

Áp suất, nhiệt độ, đau, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô

Ngọt, mặn, chua cay, béo Âm rầm bổng, sóng âm, âm lượng

Mùi chất khí, chất lỏng

Cảm biến thu hình, cảm biến quang

Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, cảm biến độ rung động

Đo lượng đường máu Cảm biến sóng siêu âm, mi-cro

Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận khí ga

Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý

Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m):

7 2 Phạm vi ứng dụng

- Công nghiệp

- Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thơng tin viễn thơng - Nơng nghiệp

- Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân

3 Phân loại cảm biến

Các cảm biến phân loại theo đặc trưng sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích:

+ Hiện tượng vật lý:nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện, nhiệt từ…

+ Hố học: biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ, biến đổi sinh hóa + Sinh học: Biến đổi vật lý, hiệu ứng thể sống

- Phân loại theo dạng kích thích:

+ Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng

+ Điện: Điện tích, dịng điện, điện thế, điện áp, điện trường (biên, pha, phân cực, phổ), điện dẫn, số điện môi

+ Từ: từ trường (biên, pha, phân cực, phổ), từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm

+ Quang: Biên, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ, hệ số xạ

+ Cơ: Vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, moomen, khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt, lưu lượng

+ Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt + Bức xạ: Kiểu, lượng, cường độ

- Theo tính cảm biến: Độ nhạy, độ xác, độ chọn lọc, độ phân giải, độ tuyến tính, cơng suất tiêu thụ, dải tần, độ trễ, khả tải, tốc độ đáp ứng, độ ổn định, tuổi thọ, điều kiện mơi trường, kích thước, trọng lượng

- Phân loại theo phạm vi sử dụng: Công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học, mơi trường, khí tượng, thơng tin, viễn thơng, giao thơng, dân dụng, vũ trụ, quân

- Phân loại theo thơng số mơ hình mạch thay thế:

+ Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng

+ Cảm biến thụ động đặc trưng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến

CÂU HỎI ƠN TẬP

1 Trình bày khái niệm cảm biến

8 BÀI

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Giới thiệu

Cảm biến nhiệt độ sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến nhiệt độ đóng vai trị định đến tính chất vật chất, nhiệt độ làm ảnh hưởng đến đại lượng chịu tác dụng nó, ví dụ áp suất, thể tích chất khí

Cảm biến nhiệt độ nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa học.Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt

Mục tiêu

- Phân tích thang nhiệt độ phương pháp đo nhiệt thông thường - Phân tích cấu tạo, đặc tính loại cảm biến nhiệt độ

- Thực mạch cảm biến yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính cẩn thận, kỹ làm việc nhóm

Nội dung 1 Đại cương

1.1 Thang đo nhiệt độ

Thang Kelvin : ( Thomson Kelvin – 1852) : Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ oK Trong thang đo này, người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước – nước đá – giá trị số 273,15 oK

Thang Celsius ( Andreas Celsius 1742) : Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC độ Celsius độ Kelvin

Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T( C) = T( 0 K) – 273,15

Thang Fahrenheit ( Fahrenheit – 1706) : Đơn vị nhiệt độ oF Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nước đá tan 32oF điểm nước sôi 212 oF

Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit nhiệt Celssius: T( C) = 5

9(T(

0 F) – 32) T( F) = 9

5T(

0C) + 32 1.2 Nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực Tx, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến Nhiệt độ Tx gọi nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi nhiệt độ đo Điều kiện để đo nhiệt độ phải có cân nhiệt môi trường đo cảm biến Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không đạt tới nhiệt độ mơi trường Tx, tồn chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc định Độ xác phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc, hiệu số bé, độ xác phép đo cao Muốn đo cần phải:

9

- Giảm trao đổi nhiệt cảm biến mơi trường bên ngồi

Chúng ta khảo sát trường hợp đo cảm biến tiếp xúc Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào cảm biến xác định theo công thức:

dQ = αA(Tx − Tc )dt Với: α - hệ số dẫn nhiệt

A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt T - thời gian trao đổi nhiệt

Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:

dQ = mCdTc Với: m - khối lượng cảm biến

C - nhiệt dung cảm biến

Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt cảm biến mơi trường ngồi giá đỡ, ta có: αA Tx − Tc dt = mCdTc

Hình 2.1: Trao đổi nhiệt cảm biến

Để tăng cường trao đổi nhiệt mơi trường có nhiệt độ cần đo cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ngồi tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận mạch đo bên phải có hệ số dẫn nhiệt thấp

2 Cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở

Ưu điểm nhiệt điện trở đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn Các cảm biến nhiệt điện trở dùng kim loại, oxyt kim loại hay bán dẫn

2.1 Nhiệt điện trở kim loại (PTR NTR)

Dựa vào hệ số nhiệt điện trở, phân điện trở nhiệt thành điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương PTR (Positive Thermic Resistor) điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (Negative Thermic Resistor)

- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm NTR Giá trị điện trở giảm nhiệt độ tăng

- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương PTR Giá trị điện trở tăng nhiệt độ tăng

Đường đặc tuyến PTR chia làm vùng: - Vùng nhiệt độ thấp <TA: giống NTC

10 - Vùng làm việc >TN

Hình 2.2: Đường đặc tuyến làm việc PTR 2.2 Nhiệt điện trở với Platin Nickel

2.2.1 Cấu tạo

RTD sản xuất từ vật liệu có nhiệt điện trở dương, phổ biến đồng, nickel, hợp kim sắt-nickel, vonfram, bạch kim Tuy nhiên, bạch kim xem xác nhất, ổn định đo nhiệt độ lên đến 1200oF Phạm vi nhiệt độ làm việc cao Nickel, đồng, hợp kim sắt – nickel Ngoài thay đổi trở kháng theo nhiệt độ tuyến tính

Bảng 2.1: Vật liệu chế tạo RTD

Tên vật liệu Phạm vi nhiệt độ làm việc Bạch kim -450Fđến 1200F

Nickel -150Fđến 600F

Đồng -100Fđến 300F

Hợp kim sắt/nickel 32Fđến 400F

Các vật liệu đồng, nickel, hợp kim sắt/nickel dùng để làm RTD, hầu hết chúng có giá thành thấp sử dụng ứng dụng khơng địi hỏi u cầu cao

11

+ Có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99,999%) tăng độ xác tính chất điện

+ Có tính trơ mặt hố học tính ổn định cấu trúc tinh thể cao đảm bảo tính ổn định cao đặc tính dẫn điện trình sử dụng

+ Hệ số nhiệt điện trở 0C 3,9x10-3/oC. + Điện trở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với 0oC + Dải nhiệt độ làm việc rộng từ -200 oC ÷ 1000oC - Nickel:

+ Có độ nhạy nhiệt cao 4,7x10-3/oC

+ Điện trở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với 0oC

+ Dễ bị oxy hoá nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định + Dải nhiệt độ làm việc thấp 250 0C

2.2.2 Phân loại RTD Có loại bản:

2.2.2.1.Loại dây nối (Wire wound Element):

Đây loại thiết kế đơn giản Sợi dây cảm biến ( làm bạch kim) quấn xung quanh lõi trục Lõi trịn phẳng, quan trọng phải cách điện Người ta cách điện cách đặt lõi dây quấn ống sứ kiếng Dây cảm biến nối sợi dây lớn

Hình 2.3: RTD loại dây nối 2.2.2.2 Loại màng mỏng (Thin Film Element):

Người ta phủ lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7 mm đến 10-6mm) lên đế sứ Ưu điểm loại giá thành thấp khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh dễ dàng đặt vào vỏ nhỏ Nhưng khơng làm việc ổn định loại Wire wound

Hình 2.4: RTD loại màng mỏng 2.2.3 Cấu hình dây

12 2.2.3.1 Loại dây

Đây loại cấu hình dây đơn giản độ xác thấp Điện trở dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ xác Dây nối dài ảnh hưởng lớn Sơ đồ mạch cầu dây minh họa sơ đồ sau:

Hình 2.5: RTD cấu hình dây

Trong sơ đồ mạch loại dây, dòng điện qua phần tử cảm biến Khi nhiệt độ cảm biến tăng, điện trở gia tăng Kết điện áp tăng (U=I.R) Trở kháng thực làm cho điện áp tăng tổng trở phần tử cảm biến trở kháng dây nối Vì để sử dụng loại dây nối cần phải ngắn

2.2.3.2 Loại dây

Có sợi dây nối từ RTD thay dây L1 L3 dẫn dịng, L2 có vai trị dây chiết áp Lý tưởng điện trở dây L1 L3 khơng có Trở kháng R3 với trở kháng phần tử cảm biến Rt

Hình 2.6: RTD cấu hình dây 2.2.3.3 Loại dây

13

Hình 2.7: RTD Cấu hình dây

Hình 2.8: Bộ điều khiển nhiệt độ (Controller) Honeywell 2.3 Nhiệt điện trở Oxit kim loại (NTC, PTC)

Cảm biến nhiệt điện trở oxit kim loại có đặt điểm khác với nhiệt điện trở kim loại: - Hệ số nhiệt điện trở âm

- Độ nhạy lớn khoảng 10 lần so với độ nhạy nhiệt điện trở kim loại Các oxit thường sử dụng: MgO, Mn2O3, Fe3O4, NiO, Co2O3 ,…

Cấu tạo: ép từ bột oxit dạng hình đĩa, hình trụ hay hình xuyến, chúng có kích thước nhỏ bọc lớp vỏ bảo vệ

Thường sử dụng đo nhiệt độ vùng kích thước nhỏ nhờ kích thước cảm biến nhỏ cỡ 1mm phát biến thiên nhiệt độ nhỏ (tới phần nghìn độ) nhờ cảm biến có độ nhạy cao Dải nhiệt độ rộng, song cần tránh biến đổi nhiệt độ đột ngột làm rạn nứt cảm biến

3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM34/LM35 3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc

- Cấu tạo: Làm từ loại chất bán dẫn thường Silic tinh khiết đơn tinh - Nguyên lý: Sự phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng nhiệt độ

14

của điện trở suất dương nghĩa điện trở suất tăng theo nhiệt độ Do độ tuyến tính hạn chế mà dải nhiệt độ ứng dụng điện trở Si là: - 50 đến 1200 C Trên khoảng 1200 C, hệ số nhiệt điện trở Si âm độ tuyến tính Trong vùng nhiệt độ 1200C hệ số nhiệt điện trở không phụ thuộc vào mức độ pha tạp

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt mạch xử lý đơn giản - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, bền

Hình 2.9: Cấu trúc cảm biến nhiệt bán dẫn Silic

- Cảm biến nhiệt bán dẫn loại cảm biến chế tạo từ chất bán dẫn Có loại Diode, Transistor, IC Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền …

Ta dễ dàng bắt gặp cảm biến loại dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý chúng nhiệt độ thay đổi cho điện áp thay đổi Điện áp phân áp từ điện áp chuẩn có mạch

3.2 Sơ đồ kết nối

Sơ đồ chân LM34 LM35 giống

15

Hình 2.11: Sơ đồ kết nối LM35 đo nhiệt độ dương

Hình 2.12: Sơ đồ kết nối LM35 đo nhiệt độ âm dương Kết nối cảm biến nhiệt độ LM35 với PLC S7-1200

16 3.3 Đặc điểm

Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu tuyến tính theo nhiệt độ, thường sử dụng để đo nhiệt độ môi trường theo dõi nhiệt độ thiết bị, … LM35 có dải đo từ °C đến 100 °C, cảm biến tiêu hao điện thấp sử dụng điện áp 5V Cảm biến gồm có chân, chân nguồn, chân tín hiệu dạng Analog

Chân liệu IC cảm biến LM35 chân ngõ điện áp dạng tuyến tính Chân số cảm biến xuất 1mV = 0.1°C (10mV = 1°C) Để lấy liệu dạng °C cần lấy điện áp chân OUT đem chia cho 10

Chân cấp điện áp 5V, chân cấp GND, chân chân OUTPUT liệu dạng điện áp

Thông số IC cảm biến nhiệt độ LM35:

- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V - Điện áp ra: -1V đến 6V

- Công suất tiêu thụ 60uA - Dải đo nhiệt độ : -55 đến 150°C

- Độ phân giải điện áp đầu 10mV/oC

- Độ xác thực tế: 1/4°C nhiệt độ phịng 3/4°C khoảng -55°C tới 150°C

Lưu ý sử dụng

- Vì chế tạo từ thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu sử dụng vượt ngưỡng bảo vệ làm hỏng cảm biến

- Cảm biến bán dẫn loại tuyến tính giới hạn đó, ngồi dải cảm biến tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo loại cảm biến để đạt xác

- Loại cảm biến chịu đựng môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mịn, rung lắc va chạm mạnh

4 Cảm biến nhiệt kế bức xạ

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Đo tính chất xạ lượng mơi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

17

Hình 2.14: Nhiệt kế xạ

- Nhiệt kế xạ (hỏa kế) loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ môi trường mà cảm biến thơng thường khơng thể tiếp xúc ( lị nung thép, hóa chất ăn mịn mạnh, khó đặt cảm biến)

- Gồm có loại: Hỏa kế xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa nguyên tắc vật mang nhiệt có tượng xạ lượng Và lượng xạ có bước sóng định Hỏa kế thu nhận bước sóng phân tích nhiệt độ vật cần đo

Lưu ý sử dụng

Tùy theo thơng số nhà sản xuất mà hỏa kế có tầm đo khác nhau, nhiên đa số hỏa kế đo khoảng nhiệt độ cao Và đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ xác hỏa kế khơng cao, chịu nhiều ảnh hưởng mơi trường xung quanh (góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường)

5 Ứng dụng cảm biến nhiệt độ

- Được ứng dụng nhiều ngành công nghiệp xi măng, phân bón, lị nung, gạch…

- Đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử

- RTD có nhiều ứng dụng: đo nhiệt độ chất lỏng, bề mặt vật, dịng khí RTD loại thiết bị thụ động, sử dụng cần có nguồn cung cấp Sử dụng phổ biến RTD cấu hình dây

18

Trong công nghiệp, RTD thường sử dụng kết hợp với hiển thị nhiệt độ (Controller) hãng Autonics, Honeywell … chuyển đổi (transmitter) nối trực tiếp vào module AI (của Siemens chẳng hạn) Nếu sử dụng hiển thị hay module khơng cần có nguồn cung cấp riêng thiết bị cung cấp nguồn cho RTD

CÂU HỎI ÔN TẬP

19 BÀI

CẢM BIẾN TIỆM CẬN Giới thiệu

Cảm biến tiệm cận sử dụng nhiều lĩnh vực tự động hóa quy trình sản xuất, dây chuyền tự động hoá sản xuất, nơi làm việc khó khăn, độc hại, cảm biến tiệm cận dùng để nhận biết có khơng có vật thể

Mục tiêu

- Trình bày định nghĩa cảm biến tiệm cận

- Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật phạm vi ứng dụng cảm biến tiệm cận điện cảm điện dung

- Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm, điện dung theo yêu cầu mạch điện

- Lắp đặt mạch điện ứng dụng cảm biến tiệm cận điện cảm điện dung - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, kỹ làm việc nhóm

Nội dung

1 Khái niệm chung 1.1 Đặc điểm

- Phát vật không cần tiếp xúc - Tốc độ đáp ứng cao

- Đầu cảm biến nhỏ lắp đặt nhiều nơi - Có thể sử dụng môi trường khắc nghiệt 1.2 Các thuật ngữ thường dùng

- Vật chuẩn (Standard Object): Một vật xem vật chuẩn hình dạng, vật liệu, kích cỡ, vật phải phù hợp để phát huy đặt tính kỹ thuật sensor - Khoảng cách phát (Detecting Distance): Là khoảng cách từ bề mặt cảm biến đầu sensor tới vị trí vật chuẩn xa mà sensor phát

- Khoảng cách cài đặt (Setting Distance): Là khoảng cách từ bề mặt cảm biến đầu sensor tới vị trí vật cảm biến để sensor phát vật ổn định (thường khoảng cách 70%  80% khoảng cách phát hiện)

Vật Cảm Biến Bề mặt cảm biến Cảm Biến Tiệm Cận

Khoảng Cách Phát Hiện Khoảng Cách Reset

20

Hình 3.2 Định nghĩa khoảng cách cài đặt - Thời gian đáp ứng (Response Time):

Hình 3.3 Định nghĩa thời gian đáp ứng

t1: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động vào vùng phát sensor tới đầu sensor bật ON

t2: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động khỏi vùng phát sensor tới đầu sensor tắt OFF

- Tần số đáp ứng (Response Frequency): Số lần tác động lặp lại vật cảm biến vào vùng hoạt động sensor

Hình 3.4 Định nghĩa tần số đáp ứng

Vật Cảm Biến

Bề mặt cảm biến

Cảm Biến Tiệm Cận Khoảng Cách Phát Hiện ước Lượng

21 2 Cảm biến tiệm cận điện cảm

2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động Cấu trúc

Hình 3.5: Cấu tạovà ký hiêu cảm biến điện cảm Một cảm biến tiệm cận điện cảm gồm có khối chính: - Cuộn dây lõi ferit

- Mạch dao động - Mạch phát - Mạch đầu Nguyên lý hoạt động

Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động cảm biến điện cảm

Từ trường cuộn dây sensor tạo thay đổi tương tác với vật thể kim loại (do phát vật thể kim loại)

Đối với cảm biến loại có bảo vệ (Shielded) từ trường tập trung trước mặt sensor nên bị nhiễu kim loại xung quanh, nhiên khoảng cách đo ngắn

Loại khơng có bảo vệ (Un-Shielded): Khơng có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, nhiên dễ bị nhiễu kim loại xung quanh 2.2 Đặc tính kỹ thuật

- Phát vật không cần phải tiếp xúc

- Không gây nhiễu cho sóng điện từ, sóng siêu âm - Tốc độ đáp ứng nhanh

22 - Chỉ phát vật kim loại

- Các thông số kỹ thuật cảm biến cần quan tâm: + Điện áp hoạt động (đơn vị V)

+ Dòng điện định mức ngõ (đơn vị mA)

+ Đặc tính ngõ ra: loại PNP hay NPN; thường đóng hay thường mở + Khoảng cách phát (mm)

+ Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy 2.3 Sơ đồ kết nối cảm biến

- Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện cảm

Loại ngõ thường mở Loại ngõ thường đóng Hình 3.7 Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện cảm

- Loại dây:

Hình 3.8: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm dây - Loại dây – ngõ NPN

Hình 3.9: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại NPN – ngõ thường mở - Loại dây – ngõ PNP

23 - Các loại khác:

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại PNP – ngõ thường đóng

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại PNP – ngõ thường đóng thường mở

Hình 3.13: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại NPN – ngõ thường đóng thường mở

2.4 Ứng dụng

Giới thiệu đầu cảm biến tiệm cận điện cảm thực tế

24 - Phát việc đóng nắp nhơm chai bia

- Phát kim loại giấy bọc socola sau đóng gói - Phát đầu mũi khoan bị gãy

- Kiểm tra diện lon nắp dây chuyền sản xuất,

Hình 3.15: Một số ứng dụng cảm biến điện cảm 2.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm

Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển động băng tải dùng cảm biến điện cảm theo yêu cầu sau:

- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động

- Cảm biến phát hộp băng tải hoạt động (tự trì) - Nhấn STOP: hệ thống dừng

Hình 3.16: Mô tả hệ thống Sơ đồ điều khiển:

25 - Chú thích:

+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, K: rơ le trung gian + CB1: cảm biến điện cảm loại PNP - Giải thích mạch điện:

+ Cấp nguồn 24VDC

+ Nhấn START: cuộn dây rơ le RL1 có điện, tiếp điểm thường mở RL1 đóng lại, trì cấp điện cho cuộn dây RL1 không nhấn START, đồng thời cấp điện cho cảm biến CB1

+ Khi cảm biến CB1 phát có vật, cuộn dây rơ le RL2 có điện, tiếp điểm thường mở RL2 đóng lại, cấp điện cho cuộn dây rơ le K  tiếp điểm thường mở K đóng lại, trì cấp điện cho cuộn dây rơ le K cuộn dây RL2 điện Đồng thời phía mạch điều khiển động cơ, tiếp điểm K đóng lại, cấp điện cho động cơ, làm băng tải hoạt động

+ Khi nhấn STOP, cuộn dây rơ le RL1 điện  điện toàn mạch  băng tải dừng

Sơ đồ nối dây thiết bị với cảm biến điện cảm loại PNP

Hình 3.18: Sơ đồ nối dây thiết bị - Chú thích:

Bộ nút nhấn Bộ rơ le trung gian Bộ cảm biến

26 3 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến điện dung (Capacitive sensor) tương tự cảm biến điện cảm, điểm khác cảm biến tiệm cận điện dung sinh vùng tĩnh điện thay vùng từ điện cảm biến tiện cận điện cảm

3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động Cấu trúc

Hình 3.20: Cấu tạo ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn phận chính:

- Cảm biến (các cực cách điện) - Mạch dao động

- Bộ phát - Mạch đầu Nguyên lý hoạt động

Trong cảm biến tiệm cận điện dung có phận làm thay đổi điện dung C cực

Nguyên lí hoạt động cảm biến điện dung dựa việc đánh giá thay đổi điện dung tụ điện Bất kì vật qua vùng nhạy cảm biến điện dung điện dung tụ điện tăng lên Sự thay đổi điện dung phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước số điện môi vật liệu

Bên có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng đưa dòng điện tỉ lệ với khoảng cách cực

3.2 Đặc tính kỹ thuật

- Đối tượng phát chất lỏng, vật liệu phi kim - Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh

- Có thể phát đối tượng có kích thước nhỏ - Phạm vi cảm nhận lớn

- Đầu cảm biến nhỏ, lắp đặt nhiều nơi - Chịu ảnh hưởng bụi độ ẩm

- Các thông số kỹ thuật cảm biến cần quan tâm: + Điện áp hoạt động (đơn vị V)

27 + Khoảng cách phát (mm)

+ Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy 3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến

Cảm biến tiệm cận điện dung có loại cảm biến tiệm cận điện cảm, cảm biến tiệm cận điện dung có sơ đồ kết nối giống cảm biến tiệm cận điện cảm

- Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung:

Loại ngõ thường mở Loại ngõ thường đóng

Hình 3.21 Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung - Loại dây:

Hình 3.22: Sơ đồ kết nối cảm biến điện dung dây - Loại dây – ngõ NPN

Hình 3.23: Sơ đồ kết nối cảm biến điện dung loại NPN – ngõ thường mở - Loại dây – ngõ PNP

28 Cách kết nối cảm biến song song

Hình 3.25: Sơ đồ kết nối hai cảm biến song song

Chú thích: - Diode linh kiện bán dẫn, có đặc tính cho dòng điện chiều khi điện áp phía A (Anode) lớn điện áp phía K (Kathode)

Hình 3.26: Ký hiệu Diode

- Trong trường hợp này, Diode sử dụng để tránh dòng điện ngược vào cảm biến qua chân out – Black, nhằm bảo vệ ngõ cảm biến

29

Hình 3.27: Sơ đồ kết nối hai cảm biến nối tiếp 3.4 Ứng dụng cảm biến điện dung

Giới thiệu đầu cảm biến tiệm cận điện dung thực tế

Hình 3.28: Cảm biến tiệm cận điện dung hãng Omron

Cảm biến tiệm cận loại điện dung dùng nhiều băng tải hàng hóa; chúng có tác dụng đếm sản phẩm qua; cách lắp cảm biến điện dung cách xa vật từ vài milimet đến vài chục milimet

- Báo mức chất lỏng – chất rắn dạng báo đầy – báo cạn; dùng cảm biến điện dung xác độ nhạy cao

- Dùng để phát sữa hộp giấy…

Hình 3.29: Ứng dụng cảm biến tiệm cận điện dung 3.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm

Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải cảm biến điện dung theo yêu cầu sau:

- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động

30 - Nhấn STOP: hệ thống dừng

Hình 3.30: Mơ tả hệ thống Sơ đồ điều khiển:

Hình 3.31: Sơ đồ mạch điện - Chú thích:

+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, RL3, K: rơ le trung gian + CB1, CB2: cảm biến điện dung loại PNP - Giải thích mạch điện:

+ Cấp nguồn 24VDC

+ Nhấn START: cuộn dây rơ le RL1 có điện, tiếp điểm thường mở RL1 đóng lại, trì cấp điện cho cuộn dây RL1 không nhấn START, đồng thời cấp điện cho cảm biến CB1 CB2

31

phía mạch điều khiển động cơ, tiếp điểm K đóng lại, cấp điện cho động cơ, làm băng tải hoạt động

+ Khi cảm biến CB2 phát có vật, cuộn dây rơ le RL3 có điện, tiếp điểm thường đóng RL3 mở ra, làm điện cuộn dây rơ le K  tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu, động điện, băng tải dừng hoạt động

+ Khi nhấn STOP, cuộn dây rơ le RL1 điện  điện toàn mạch  băng tải dừng

CÂU HỎI ÔN TẬP Trình bày định nghĩa cảm biến tiệm cận

2 Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật phạm vi ứng dụng cảm biến tiệm cận điện cảm điện dung

3 Vẽ mạch điện điều khiển máy bơm nước theo yêu cầu sau: - Nhấn START:

+ Nếu nước bể cạn bơm hoạt động + Nếu nước bể đầy bơm dừng

+ Để phát mức nước đầy mức nước cạn, người ta dùng cảm biến điện dung

32 BÀI

KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN Giới thiệu

Cảm biến quang (Photoelectric Sensors) cảm biến sử dụng phổ biến Hoạt động dựa nguyên lý chuyển đổi thông tin ánh sáng thành tín hiệu điện

Mục tiêu

- Trình bày cấu trúc, nguyên lý chế độ hoạt động loại cảm biến quang

- Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến quang điện theo yêu cầu mạch điện - Lắp mạch điện sử dụng cảm biến quang theo sơ đồ cho trước - Rèn luyện tinh thần tự giác học tập, thái độ học tập nghiêm túc

Nội dung 1 Đại cương

1.1 Cấu trúc chung

Hình 4.1: Cấu tạo cảm biến quang

Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc ký hiệu cảm biến quang Gồm có khối chính:

- Khối phát (transmitter): phát tín hiệu

- Khối nhận (receiver): nhận tín hiệu phản xạ từ vật vào tín hiệu từ đầu phát sensor

- Khối chuyển đổi tín hiệu (signal converter): chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện dòng điện hay điện áp

33

Hình 4.3: Cảm biến quang điện 1.2 Nguyên tắc hoạt động

Hình 4.4: Nguyên tắc hoạt động cảm biến quang điện

Cấp nguồn cho sensor, đầu phát sensor phát tín hiệu tới đầu thu vật, ánh sáng phản xạ từ vật đến đầu thu chuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dịng điện) sau khuếch đại Nếu mức điện áp (hoặc dịng điện) lớn mức ngưỡng Sensor xuất tín hiệu báo có vật

Vùng phát cảm biến quang

- Vùng phát hiện: vùng ánh sáng phản xạ từ vật vào đầu thu Sensor phát vật

Hình 4.5: Vùng phát cảm biến quang điện

34

Hình 4.6: Vùng chết cảm biến quang điện

- Thời gian đáp ứng (Response Time) : Là khoảng thời gian trì hỗn từ ánh sáng nhận vào đến lúc ngõ điều khiển kích hoạt reset

Hình 4.7: Biểu đồ thời gian tín hiệu ngõ sensor 1.3 Phân loại cảm biến quang điện

1.3.1 Phân loại theo tín hiệu thu phát - Cảm biến quang thu phát độc lập

- Cảm biến quang thu phát chung phản xạ gương - Cảm biến quang phản xạ khuyếch tán

- Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn - Cảm biến quang đặt khoảng cách

- Cảm biến quang loại phát Mark, cảm biến màu 1.3.2 Phân loại theo cấu tạo

35

1.4 Các chế độ hoạt động cảm biến quang điện

Một tính liên quan đến cảm biến quang phản hồi cảm biến phát không phát thấy ánh sáng Tính có tên chế độ Dark-On hay Light-On

Đối cới cảm biến quang loại thu phát độc lập cảm biến đặt chế độ Dark-ON: Có vật, đầu thu khơng nhận ánh sáng từ đầu phát, cảm biến xuất tín hiệu lên mức ON Khơng có vật, đầu thu nhận ánh sáng từ đầu phát báo mức OFF Nếu sensor đặt chế độ Light-ON: Khơng có vật, đầu thu nhận ánh sáng từ đầu phát xuất tín hiệu lên mức ON Có vật, đầu thu khơng nhận ánh sáng từ đầu phát, sensor chuyển mức OFF

Hình 4.9: Chế độ làm việc cảm biến quang

Đối cới cảm biến quang loại khuếch tán ngược lại Nếu cảm biến đặt chế độ Dark-ON: Không có vật, đầu thu khơng nhận ánh sáng, cảm biến xuất tín hiệu lên mức ON Có vật đầu thu nhận ánh sáng báo mức OFF Nếu cảm biến đặt chế độ Ligh-ON: Có vật, đầu thu nhận ánh sáng xuất tín hiệu lên mức ON Khơng có vật, đầu thu khơng nhận ánh sáng, cảm biến chuyển mức OFF

Cách điều chỉnh độ nhạy cảm biến: Các loại cảm biến quang tiêu chuẩn thị trường thường có khả chỉnh độ nhạy:

- Điều chỉnh ngưỡng: người sử dụng điều chỉnh mức ngưỡng hay cịn gọi mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu Khi ánh sáng thu lớn ngưỡng, có tín hiệu xuất Trong thực tế, thay đổi ngưỡng dẫn đến tăng giảm khoảng cách phát Việc chỉnh ngưỡng giúp cảm biến nhạy hơn, phát vật nhỏ vật mờ Một vài nhãn hiệu cảm biến quang có biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng

36

Hình 4.10: Điều chỉnh độ nhạy cảm biến quang 1.5 Yêu cầu lắp đặt cảm biến

- Lắp đặt cảm biến tùy theo hướng di chuyển vật Cảm biến nên đặt vng góc với hướng di chuyển vật

Hình 4.11: Cảm biến nên đặt vng góc với hướng di chuyển vật

- Ánh sáng phản xạ từ vật nên thẳng cảm biến, không nên cho phản xạ qua vật khác

Hình 4.12: Ánh sáng phản xạ thẳng cảm biến

37

Hình 4.13: Khoảng cách nhận biết Sensor màu sắc 2 Cảm biến quang thu phát độc lập

2.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động Cấu trúc

Hình 4.14: Cấu trúc cảm biến quang thu phát độc lập

- Bộ phát: gồm led phát hồng ngọai led phát laser để phát ánh sang đến thu

- Bộ thu: gồm transistor quang nối vào mạch để tạo tín hiệu ngõ nhận không nhận ánh sang từ phát

Nguyên tắc hoạt động

Cảm biến quang thu phát độc lập cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động cần phát ánh sáng thu ánh sáng lắp đối diện với

Hình 4.15: Nguyên tắc hoạt động cảm biến quang thu phát độc lập

38

Nếu Sensor đặt chế độ Dark-ON: Khơng có vật, đầu thu nhận ánh sáng từ đầu phát báo mức OFF Có vật, đầu thu khơng nhận ánh sáng từ đầu phát, sensor xuất tín hiệu lên mức ON

Nếu Sensor đặt chế độ Light-ON: Khơng có vật, đầu thu Sensor nhận ánh sáng từ đầu phát xuất tín hiệu lên mức ON Có vật, đầu thu khơng nhận ánh sáng từ đầu phát, Sensor chuyển mức OFF

2.2 Đặc tính kỹ thuật

- Có thể phát nhiều vật thể khác

- Thời gian đáp ứng nhanh, điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng - Độ tin cậy cao

- Khoảng cách phát xa: tối đa 30m

- Không bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật, - Thông số kỹ thuật cần quan tâm:

+ Điện áp hoạt động (V)

+ Dòng điện định mức ngõ (mA) + Đặc tính ngõ ra: PNP, NPN, NO, NC + Chế độ hoạt động: Light – On , Dark - On + Khoảng cách phát (mm)

+ Nguồn sáng: sử dụng LED hồng ngoại (940nm), LED hồng ngoại ( 850nm), LED đỏ (660 nm)

+ Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy 2.3 Sơ đồ kết nối

- Ký hiệu

Hình 4.16: Ký hiệu cảm biến quang thu phát độc lập - Loại ngõ PNP – thường hở

39

Hình 4.18: Sơ đồ nối dây cảm biến quang thu phát độc lập, ngõ rơ le - Loại ngõ PNP – thường hở, có dây điều khiển chế độ hoạt động

Hình 4.19: Sơ đồ nối dây cảm biến quang thu phát độc lập loại PNP, có dây điều khiển chế độ hoạt động

2.4 Ứng dụng

- Xuất tín hiệu báo khoan bị gãy mũi: Vì mũi khoan nhỏ nên phải sử dụng sensor phát tia nhỏ để phát xác Nếu mũi khoan bị gãy ánh sáng từ đầu phát đến đầu thu

Hình 4.20: Ứng dụng cảm biến quang

40

Hình 4.21: Ứng dụng cảm biến quang

- Để phát sữa / nước bên hộp màu trắng không suốt Dùng cảm biến E3Z-T61, với tia sáng mạnh xuyên qua vỏ bọc giấy bên ngồi phát sữa / nước trái thời điểm phát mức chất lỏng

- Đếm vật, sản phẩm kích thước lớn nhà máy: Trong ứng dụng dạng vậy, họ sensor E3JM/ E3JK Omron phát tốt

Hình 4.22: Ứng dụng cảm biến quang điện

- Phát vật di chuyển: Có thể sử dụng họ sensor E3Z-G Omron ứng dụng Sensor có loại có trục trục quang

Hình 4.23: Ứng dụng cảm biến quang 2.5 Lắp mạch điện

Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải dùng cảm quang thu phát độc lập theo yêu cầu sau:

- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động

41 - Nhấn STOP: hệ thống dừng

Sơ đồ điều khiển

Hình 4.24: Sơ đồ mạch điện - Chú thích:

+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, K: rơ le trung gian

+ CB: cảm biến quang thu phát độc lập loại PNP 3 Cảm biến quang phản xạ gương

3.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động

42

Hình 4.25: Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang phản xạ gương Cấp nguồn cho sensor, qua mạch phát sáng, diode đầu phát phát ánh sáng truyền đến gương, ánh sáng phản xạ từ gương đầu thu, đầu thu nhận ánh sáng phản xạ cường độ ánh sáng nhận gần cường độ ánh sáng phát Sensor xuất tín hiệu báo

3.2 Đặc tính kỹ thuật

- Ánh sáng đầu thu nhận phải gần ánh sáng phát

- Làm việc đáng tin cậy, ánh sáng chùm tia ln ln có suốt q trình hoạt động hay khơng hoạt động cảm biến

- Lắp đặt cho loại cảm biến đơn giản

- Trong trường hợp dị tìm xác định vật thể, cảm biến có khoảng dị tìm vật lớn khoảng cách dò cảm biến khuyếch xạ

- Ta điều chỉnh độ nhạy cách điều chỉnh chiết áp nằm cảm biến

- Cảm biến dễ bị hư hỏng làm việc mơi trường có nhiệt độ 800 C

- Thông số kỹ thuật cần quan tâm: tương tự cảm biến quang thu phát độc lập 3.3 Sơ đồ kết nối

- Ký hiệu:

43

Hình 4.27: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (PNP) - Loại NPN, thường hở

Hình 4.28: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (NPN) - Loại NPN, có dây điều khiển chế độ hoạt động

Hình 4.29: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (NPN), có dây điều khiển chế độ hoạt động

3.4 Ứng dụng cảm biến quang loại phản xạ gương

44

Hình 4.30: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

- Phát người vào để đóng cửa thang máy: Trong ứng dụng phát người vào thang máy, họ E3JK-R Omron tốt chất lượng lẫn giá

Hình 4.31: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

45

Hình 4.32: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

-Đếm sản phẩm băng chuyền: Omron có nhiều loại sản phẩm, nhiều giải pháp cho ứng dụng

Hình 4.33: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

46

Hình 4.34: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

-Phát loại màng/phim suốt: E3S-R12 đặc biệt thích hợp để phát màng suốt với độ tin cậy cao

Hình 4.35: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

-Để nhận biết chai suốt: E3Z-B loại sensor Omron chuyên dùng để nhận biết chai PET chai suốt Bạn dùng model cũ E3S-CR67

Hình 4.36: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

-Phát chat PET dây chuyền Chai PET dạng trịn vng Chai PET đựng nước chất lỏng suốt: Nếu sử dụng sensor thường để phát chai PET đơi lúc khơng ổn định Sensor E3Z-B có khả phát tốt với độ tin cậy cao

47 3.5 Lắp đặt mạch điện

Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải dùng cảm biến quang phản xạ gương theo yêu cầu sau:

- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động

- Cảm biến phát hộp băng tải hoạt động (tự trì) - Nhấn STOP: hệ thống dừng

Sơ đồ điều khiển

Hình 4.38: Sơ đồ mạch điện - Chú thích:

+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, K: rơ le trung gian

+ CB: cảm biến quang phản xạ gương loại PNP 4 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

4.1 Cấu trúc nguyên tắc hoạt động

48

Hình 4.39: Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại khuếch tán Tương tự loại phản xạ gương ánh sáng phản xạ đầu thu lấy từ vật từ gương Lượng ánh sáng phản xạ đầu thu chuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dịng điện) sau khuếch đại Cảm biến xuất tín hiệu báo mức điện áp lớn mức ngưỡng

4.2 Đặc tính kỹ thuật

-Dễ lắp đặt, phát tối đa 2m

-Bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền, …

-Do ánh sáng phát tác động đến vật thể nên sử dụng loại cảm biến ta không cần thiết bị phản hồi

-Vật thể dị tìm tạo ánh sáng khuyếch tán phản hồi, gương chiếu, vật thể bán suốt

-Cảm biến khuyếch tán phản hồi cho phép dị tìm vật thể phía trước chùm tia phát

-Không phát vật thể hấp thụ ánh sáng

-Cảm biến không phát vật thể vật thể đến nhánh chùm tia làm sinh chùm tia khuyếch tán không đến nhận tín hiệu cảm biến

4.3 Sơ đồ kết nối

Tương tự cảm biến quang phản xạ gương - Ký hiệu:

49

Hình 4.27: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (PNP) - Loại NPN, thường hở

Hình 4.28: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (NPN) - Loại NPN, có dây điều khiển chế độ hoạt động

Hình 4.29: Sơ đồ nối dây cảm biến quang phản xạ gương (NPN), có dây điều khiển chế độ hoạt động

4.4 Ứng dụng

50

Hình 4.40: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ khuếc tán

-Đếm sản phẩm băng chuyền: Trong ứng dụng đếm vật thông thường nhà máy, họ cảm biến E3JK-D Omron giúp phát vật cách xác

Hình 4.41: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ khuếc tán 4.5 Lắp mạch điện

Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải dùng cảm biến quang theo yêu cầu sau:

- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động

+ Cảm biến phát vật kim loại: băng tải hoạt động + Cảm biến phát hộp: băng tải dừng

- Nhấn STOP: hệ thống dừng Sơ đồ điều khiển:

Hình 4.42: Sơ đồ mạch điện

51 - Chú thích:

+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, RL3, K: rơ le trung gian

+ CB1, CB2: cảm biến quang khuếch tán loại PNP CÂU HỎI ÔN TẬP

52 BÀI

CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VÀ GÓC QUAY Giới thiệu

Trong công nghiệp, việc đo vận tốc phần lớn trường hợp thường đo tốc độ quay máy Ở muốn nói đến việc theo dõi tốc độ ngun nhân an tồn để khống chế điều kiện đặt trước cho hoạt động máy móc, thiết bị Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài chuyển sang đo vận tốc quay Bởi vậy, cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu lĩnh vực đo tốc độ

Mục tiêu

- Trình bày phương pháp đo vịng quay góc quay

- Trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến đo vận tốc góc quay phương pháp Analog quang điện tử

- Lắp đặt mạch điện sử dụng cảm biến đo vận tốc góc quay dùng Encoder - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ vệ sinh cơng nghiệp

Nội dung

1 Các phương pháp đo vận tốc vòng quay

1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ (analog)

Nguyên lý hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ cảm biến gồm có phần: phần cảm( nguồn từ thơng) phần ứng (phần có từ thơng qua) Khi có chuyển động tương đối giữ phần cảm phần ứng, từ thông qua phần ứng biến thiên, xuất sđđ cảm ứng xác định theo công thức:

e = - d/dt

Thông thường từ thơng qua phần ứng có dạng: (x) = 0F(x)

x: biến số vị trí thay đổi theo vị trí góc quay theo đường thẳng, sức điện động e xuất phần ứng có dạng : e = - dF(x)/d(x).d(x)/d(t) = -

dF(x)/d(t)

sức điện động tỷ lệ với vận tốc cần đo 1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung (Digital)

Làm việc theo nguyên tắc tần số chuyển động phần tử chuyển động tuần hoàn, VD: chuyển động quay cảm biến loại thường có đĩa mã hóa gắn với trục quay, chẳng hạn gồm phần suốt xen kẻ phần không suốt cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỷ lệ với vận tốc quay

2 Cảm biến đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 2.1 Tốc độ kế chiều (Máy phát tốc DC)

Dùng máy phát tốc DC xác định tốc độ hướng chuyển động, khơng xác định vị trí Điện áp ngõ thay đổi theo tốc độ

53

Hình 5.1: Cấu tạo nguyên lý hoạt động tốc độ kế chiều - Stato (phần cảm) nam châm điện nam châm vĩnh cửu

- Roto (phần ứng) trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, mặt ngồi có rãnh song song với trục quay cách Trong rãnh đặt dây dẫn đồng gọi dây chính, nối với đôi dây phụ

- Cổ góp hình trụ mặt có gắn đồng cách điện với nhau, nối với dây roto Hai chổi quét ép sát vào cổ góp bố trí cho thời điểm chúng tiếp xúc với đồng đối diện

- Khi Roto quay, xuất suất điện động dây dẫn: 0

2   

 N nN

E

 

Trong đó:  - Tốc độ góc trục quay N- Tổng số dây roto

0

 - Từ thông xuất phát từ cực nam châm (nam châm, cuộn kích từ làm ảnh hưởng giá trị từ thông, máy phát tốc giữ khơng đổi)

n - Số vịng quay giây Đo suất điện động, ta tính tốc độ quay

- Ưu điểm: Tín hiệu đầu đổi dấu đổi chiều quay  Giới thiệu máy phát tốc DC thực tế

Hình 5.2: Một số máy phát tốc DC thực tế 2.2 Tốc độ kế xoay chiều (Máy phát tốc AC)

Máy phát tốc độ dòng xoay chiều khơng có hệ cổ góp – chổi than, nên khơng bị sụt áp hệ bền hơn, tuổn thọ cao Vì điện áp phát xoay chiều nên việc xác định biên độ cần phải chỉnh lưu lọc

54 2.2.1 Máy phát tốc độ đồng

Đây máy phát xoay chiều nhỏ Roto máy phát đồng gắn với trục cần đo tốc độ quay Roto nam châm tập hợp nhiều nam châm nhỏ Stato dây làm phần cảm ứng, pha nhiều pha, nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độc quay roto

Hình 5.3: Cấu tạo máy phát tốc độ đồng 2.2.2 Máy phát tốc tốc độ khơng đồng bộ:

Máy có kết cấu đông không đồng pha:

Hình 5.4: Cấu tạo máy phát tốc độ khơng đồng - Rotor trụ kim loại nối với trục cần đo có tốc độ 

- Stator ghép từ thép từ tính, có cuộn dây lệnh 900, cuộn dây kích thích cuộn dây đo

+ Cuộn kích thích cung cấp điện áp có tầ số kt ổn định ukt = Uktcosktt

+ Cuộn đo sinh sức điện động cảm ứng mà biên độ tỷ lệ với tốc độ góc cần đo  eđo = Eđocos(ktt +) = k Uktcos ( ktt +)

: Góc lệch pha

k: Hệ số phụ thuộc kết cấu máy

3 Cảm biến đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 3.1 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa

Trước tiên hãy tìm hiểu đĩa mã hóa Đĩa mã hóa (Encoder) thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật

 Cấu tạo:

55  Nguyên lý hoạt động:

Khi đĩa quay, đầu thu chuyển mạch nguồn sáng, lỗ thẳng hàng Kết đĩa quay, đầu thu quang nhận lượng ánh sáng biến điện phát tín hiệu (1 chuỗi xung) có tần số tỉ lệ với tốc độ quay biên độ không phụ thuộc tốc độ quay Bằng cách đếm số xung, ta xác định tốc độ quay vật cần đo

Hình 5.5: Nguyên lý hoạt động đĩa mã hóa

Khuyết điểm: Cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay 3.2Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tương đối

 Cấu tạo nguyên lý hoạt động

Trên đĩa mã hóa tương đối (Increment Encoder) có lỗ khoét theo vòng tròn: Vòng tròn A vòng tròn B

Các lỗ khe A khe B khoan lệch vị trí với

Trạng thái pha nhanh hay chậm pha A B giúp ta xác định chiều quay đối tượng, để từ đếm tiến đếm lùi

Hình 5.6: Cấu tạo đĩa mã hóa tương đối

Hình 10.7: Ý nghĩa rãnh A rãnh B đĩa mã hóa tương đối

Gọi TN thời gian đếm xung, N0 số xung vòng (độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N số xung thời gian TN:

N

T



0 N

N = ) (vịng/giây n

56

Hình 5.8: Khe Z đĩa mã hóa tương đối Giới thiệu đĩa mã hóa tương đối thực tế:

Hình 5.9: Một số đĩa mã hóa tương đối thực tế Ứng dụng:

 Dừng động xác:

Hình 5.10: Ứng dụng đĩa mã hóa tương đối

57

Hình 5.11: Ứng dụng đĩa mã hóa tương đối

 Đo chiều dài lát vật liệu (sheet)

Hình 5.12: Ứng dụng đĩa mã hóa tương đối

 Điều khiển vị trí trục chuyển động:

Hình 5.13: Ứng dụng đĩa mã hóa tương đối 3.3 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tuyệt đối

 Cấu tạo nguyên lý hoạt động:

58

Hình 5.14: Cấu tạo đĩa mã hóa tuyệt đối

Độ phân giải xác định số lượng bit ngõ Ngõ mã hóa dạng mã nhị phân hay mã gray

- Đặc điểm:

+ Mỗi vị trí xác định đĩa quay

+ Ngõ số lượng lớn bit, truyền song song nối tiếp

+ Thơng tin vị trí không thay đổi tắt bật nguồn encoder trở lại

- Giới thiệu đĩa mã hóa tuyệt đối thực tế:

Hình 5.15: Đĩa mã hóa tuyệt đối thực tế Ứng dụng:

59

Hình 5.16: Ứng dụng đĩa mã hóa tuyệt đối

 Định vị khoan máy NC

Hình 5.17: Ứng dụng đĩa mã hóa tuyệt đối 4 Đo vận tốc vịng quay với nguyên tắc điện trở từ

4.1 Các đại lượng liên quan

- Từ trường : Là dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động, tính chất từ trường tác dụng lực lên dòng điện, lên nam châm

- Cảm ứng từ B : Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng véctơ cảm ứng từ B

Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) 1T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2

- Từ thông : Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị :

 = B dS

Trong : B - cảm ứng từ điểm diện tích dS - diện tích xét

60

- Cường độ từ trường : Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dòng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dòng điện

Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường A/m 4.2 Cảm biến điện trở từ

Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có hai cực điện, điện trở gia tăng tác động từ trường, trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất, chiều từ trường không ảnh hưởng đến hiệu ứng điện trở từ trường hợp

Độ lớn tín hiệu cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay, khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, địi hỏi thiết bị điện tử phức tạp để thu nhận tín hiệu dải điện áp rộng

Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu hình thành đổi hướng đường cảm ứng từ thay đổi theo vị trí bánh (Bending of magnetic field lines), tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển chậm

Hình 5.18: Tín hiệu tạo cảm ứng điện - Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb :

+ Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb :

61

Hình 5.19: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb

Để tạo đường dịch chuyểncủa electron dài tốt tác dụng từ trường, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình vẽ 5.19 Nhiều phiến InSb (bề rộng vài m ) ghép nối tiếp nhau, phiến màng kim loại

Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim, người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với hai cực điện, NiSb cho vào InSb chảy lỏng qua công đoạn làm nguội, vô số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng m và dài 50 m , kim dẫn điện tốt khơng có điện áp rơi

Mật độ điện tích phân bố khơng InSb tác dụng từ trường, phân bố kim, ta có phân bố điện tích nơi khởi đầu vùng giống nơi khởi đầu vùng

Điện trở từ coi hàm cảm ứng từ theo cách tính gần đúng: RB R0 (1 2.B2 )

Trong  số vật liệu có trị số khoảng 0,85

Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 dến 500Ω, diện tích cắt ngang bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 m - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy:

+ Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy:

62

Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi Permalloy (20% Fe ; 80% Ni) Khi khơng có diện từ trường, véc tơ từ hoá bên vật liệu nằm song song với dòng điện Với từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng thẳng góc với dịng điện, véc tơ từ hố quay góc, kết điện trở Permalloy thay đổi theo

R  R0 R0.cos2

  R  Rmax

 90  R  Rmin

Trong : R0 ∆R0 thơng số phụ thuộc vào chất liệu Permalloy ∆R0 = (2 →3)% R

Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay + Tuyến tính hóa đặc tính cảm biến :

Điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (hình 5.22), để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính

Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hố cách đặt màng mỏng nhơm gọi barber poles

Hình 5.21: Kết cấu cảm biến điện trở từ barber poles

Hình 5.22

a) Đặc tuyến R – H cảm biến điện trở từ loại tiêu chuẩn b) Đặc tuyến R – H cảm biến điện trở từ loại có barber poles 5 Ứng dụng

- Đo chiều dài vải sản xuất ra:

63

Hình 5.23: Ứng dụng encoder - Kiểm tra tốc độ máy trộn, máy ly tâm

Hình 5.24: Ứng dụng encoder

Sử dụng kết hợp encoder với K3MA-F Encoder gắn với phần quay khí, encoder quay xuất tín hiệu xung đưa K3MA-F hiển thị tốc độ quay máy trộn, máy ly tâm

- Định vị cho máy cắt

64

Encoder cho phép định vị bước cắt định cho dao cắt vật cách xác

- Tính hiển thị thời gian bánh lò nướng

Hình 5.26: Ứng dụng encoder

Encoder dùng để giám sát tốc độ dây chuyền, từ tính thời gian bánh lị Kết hợp K3 Omron để hiển thị thời gian bánh lò 6 Lắp mạch đo vận độ góc quay dùng Encoder

6.1 Thiết bị

Hình 5.27: Module thí nghiệm thực hành cảm biến đo lường tốc độ Thông số kỹ thuật

- Điện áp hoạt động: 24VDC

- Động cơ: Một chiều công tốc độ max 1800v/p dùng cho thí nghiệm tính đo tốc độ, đếm xung

- Bộ điều khiển tốc độ động chiều: Công suất 75W, thay đổi tốc độ chiết áp xoay

- Chế độ hiển thị: cho phép hiển thị đồng thời vận tốc dài vận tốc góc

- Số cổng vào: 01 cổng cho cảm biến tốc độ kiểu phát tốc, 01 đầu cho cảm biến tốc độ kiểu encoder

65 - Đèn báo trạng thái quay thuận, quay ngịch

- Các đầu ra: Đầu xung tốc độ, xung chiều quay, xung vị trí - Thơng số kĩ thuật cảm biến tốc độ kiểu Encoder

+ Số xung vòng quay ngõ 1: 360 xung + Kiểu đầu ra: A, B, Z

+ Số xung vòng quay ngõ 2: 18 xung + Kiểu đầu ra: A

+ Đầu điện áp: 01 đầu

+ Tần số đáp ứng tối đa: 100 kHz + Cấp bảo vệ: IP50

+ Tốc độ quay tối đa: 6000 vịng/phút

- Thơng số kĩ thuật cảm biến tốc độ kiểu phát tốc + Đầu điện áp: 01 đầu

+ Tốc độ quay tối đa: 6000 vòng/phút Các đầu vào

L1, N: Nguồn cấp cho module Photo Sensor:

+ V+, GND: Nguồn cấp cho cảm biến + A, B: Tín hiệu cảm biến Encoder:

+ V+, GND: Nguồn cấp cho encoder + A, B: Tín hiệu emcoder Đồng hồ MP5W:

+ 12V, GND: Điện áp + A, B: Tín hiệu vào đồng hồ V.adj: điều chỉnh tốc độ động SW: Chọn chiều quay động cơ: + FOR: Quay thuận

+ REV: Quay nghịch Nguyên lý hoạt động

Cấp nguồn cho module, cài đặt cho đồng hồ MP5W với thông số theo ý Cấp ngồn cho Photo Sensor (hoặc Encodder) từ +12V Điều chỉnh quan sát kết hiển thị MP5W

Sử dụng núm điều chỉnh công tắc để điều chỉnh tốc độ encoder chiều quay encoder theo ý muốn

66

Hình 5.28: Đồng hồ đo tốc độ phản hồi encoder MP5W

Đồng hồ MP5W có 13 loại chế độ hoạt động: Vòng quay, tốc độ, tần số, tỷ lệ tuyệt đối, thời gian di chuyển, tỷ lệ lỗi, chu kỳ, tỷ trọng, tốc độ di chuyển, Lỗi, độ rộng thời gian, đo chiều dài, khoảng thời gian, q độ, tính nhân (MP5M Series có 11 chế độ hoạt động)

Nhiều chức ngõ ra: Ngõ Relay, ngõ NPN/PNP collector hở, ngõ nối tiếp tốc độ thấp, ngõ BCD, PV transmission, ngõ truyền thơng RS485

Có nhiều chức năng: chức cài đặt tỷ lệ, kiểm tra liệu, cài đặt độ trễ, kiểm tra giá trị Max/Min, chức trì hỗn, chức cài đặt thời gian tự trở Zero, chức cài đặt khóa, trì hỗn chu kỳ hiển thị

Dải hiển thị Max: -19999~99999

Nhiều đơn vị hiển thị: rpm, rps, Hz, kHz, sec, min, m, mm, mm/s, m/s, m/min, m/h, l/s, l/min, l/h, %, counts …

Có thể lựa chọn ngõ vào điện áp (PNP) khơng có điện áp (NPN) Chức đáp ứng tốc độ cao 50 kHz

Đặc tính kỹ thuật

- Hiển thị Led

- Dải hiển thị lớn nhất: -1999~99999

- Kích thước số hiển thị: rộng 6,8 x cao 13,8mm - Nguồn cung cấp: 100-240VAC, 50/60Hz - Điện áp hoạt động cho phép 90 ~ 100% - Điện tiêu thụ nhỏ khoảng 6VA

- Năng lượng cảm biến bên : 12ADC ± 10%, 80mA - Tần số đầu vào:

+ Đầu vào mức cố định 50 KHz (độ rộng xung ON/OFF: 10µs) + Đầu vào tiếp điểm Max 45KHz (độ rộng xung ON/OFF: 11ms) - Mức đầu vào:

67 - Phạm vi đo:

+ Chế độ F1, F4, F7, F8, F9, F10 0, 0005Hz~50 KHz + Chế độ F3 0, 02s~3,200s

+ Chế độ F2, F3, F6 0, 01s~3,200s + Chế độ F11, F12, F13 0~4x109giá trị

- Chế độ hoạt động: Số chế độ Vòng quay/Tốc độ/Tần số F1, Tốc độ di chuyển F2, Chu kỳ F3, Thời gian di chuyển F4, Độ rộng thời gian F5, Khoảng thời gian F6, Tỷ lệ tuyệt đối F7, Tỷ lệ lỗi F8, Tỷ trọng F9, Lỗi F10 Đo chiều dài F11, Khoảng cách F12, Tích nhân 13

Kết nối

- Đối với MP5W-4N ( Loại thị)

Hình 5.29: Cách kết nối đồng hồ MP5W-4N loại thị Sử dụng cho RESET chế độ hoạt động 13

Sử dụng cho chức BANK - Đối với MP5W-4N (5 rơle ra)

Hình 5.30: Cách kết nối đồng hồ MP5W-4N loại rơle - Đối với MP5W-41(3 rơle ra)

68

Hình 5.31: Cách kết nối đồng hồ MP5W-4N loại rơle Đặc điểm kỹ thuật đầu vào

 Tín hiệu đầu vào

+ Đầu vào không tiếp xúc: Tần số lớn 50 KHz (độ rộng xung lớn 10µs) Mức điện áp đầu có xung (ON) từ 4,5 -24V, khơng có xung (OFF) tà 0-1,0V

+ Đầu vào tiếp xúc: Tần số lớn 45 KHz (độ rộng xung lớn 11ms)

 Loại đầu vào: MP5W có đầu vào NPN đầu vào PNP - Khi loại đầu vào NPN

Hình 5.32: Loại cảm biến đầu colector hở NPN - Khi loại đầu vào PNP

Hình 5.33: Loại cảm biến đầu colector hở PNP Đặc điểm kỹ thuật đầu

 Đầu BCD

- Đầu ra: Hiển thị giá trị - Tín hiệu đầu ra:

+ Dữ liệu BCD: A, B, C, D, DOT Trong A bít thấp nhất, DOT bít cao

69

- Loại đầu ra: Đầu colector hở NPN (Open collector) - Điện áp tải: 12~24VDC

- Dòng tải lớn nhất: 20mA  Đầu tốc độ thấp

- Đầu ra: Hiển thị giá trị

- Tín hiệu ra: CLK, liệu, chốt (latch) - Vòng CLK: 50Hz

- Bít CLK đầu ra: 25 bit - Bít liệu đầu ra: 25 bit

- Dạng đầu ra: Đầu colector hở NPN - Điện áp tải: 12~24VDC

- Dòng tải lớn nhất: 20mA

Hình 5.34: Biểu đồ thời gian

Hình 5.35: Dữ liệu đầu  Đầu truyền tải PV (4-20mADC)

- Ứng dụng: Truyền tải giá trị đo

- Chức năng: Truyền tải 4-20mADC chuyển đổi từ giá trị đầu đo giới hạn cao (FS-H) giới hạn thấp (FS-L)

- Điện trở tải lớn 600Ω  Giao diện đầu RS485

- Địa chỉ: 0~99 (32 kênh)

- Tốc độ truyền: 2400/4800/9600 bps - Mã truyền tải: ASCII

70 - Bit dừng: bit

Hình 5.36: Biểu đồ nhóm thơng số : Khi chọn chế độ hoạt động, thông số hiển thị

: Khi chọn chế độ hoạt động, thông số không hiển thị

: Chỉ cho cảm biến thực F11, F12, F13 chế độ hoạt động

Thơng số

71

Hình 5.37: Biểu đồ nhóm thơng số 0

- Nếu ấn phím chế độ RUN thơng số nhập vào thơng số nhóm

- Đặt giá trị so sánh HH (High High), nhìn vào phạm vi cài đặt bảng phạm vi cài đặt giá trị so sánh Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Đặt giá trị so sánh H Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Đặt giá trị so sánh L (Low) Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Đặt giá trị so sánh LL Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Hiển thị giá trị cao giá trị đo Ấn nút giá trị cao đặt lại dòng đo hiển thị

- Hiển thị giá trị thấp giá trị đo Ấn nút giá trị thấp đặt lại dòng đo hiển thị

Chú ý: Sau đặt giá trị liệu cho thông số, ấn nút để lưu liệu tiếp tục trở lại chế độ RUN Nếu không lưu liệu bị sau 60s

Bảng 5.1: Phạm vi cài đặt giá trị so sánh

Chế độ hoạt động Phạm vi cài đặt

F1, F2, F7, F9, F11, F12, F13 ~ 99999

72

F8, F10 -19999 ~ 99999

 Thông số nhóm

Hình 5.38: Biểu đồ nhóm thơng số 1 - Thơng số nhóm hiển thị di chuyển đến

- Chọn chế độ hoạt động: (Ấn nút để thay đổi chế độ)

- Đặt loại cảm biến đầu vào A (Ấn nút

để thay đổi)

- Đặt loại cảm biến đầu vàoB (Ấn nút

để thay đổi loại cảm biến)

- Đặt chế độ đầu ra: (Ấn

nút để thay đổi chế độ)

- Đặt trễ cho đầu Phạm vi trễ: ~ 9999 (Ấn nút để thay đổi giá trị cài đặt) - Chọn thời gian bắt đầu để kết nối chức đầu so sánh (L, LL)

chức giới hạn (Ấn nút để thay đổi giá trị

cài đặt)

73

- Đặt thời gian Auto – Zero đầu vào INB Phạm vi cài đặt: 0,1 ~ 9999,9 giây (Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

- Đặt trì nhớ (On: trì nhớ, Off khơng trì nhớ), (ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

 Thơng số nhóm

Hình 5.39: Biểu đồ nhóm thơng số 2 - Hiển thị di chuyển tới

- Đặt liệu (ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

- Chọn liệu , hiển thị

74

- Đặt giá trị so sánh HH (High High), nhìn vào phạm vi cài đặt bảng phạm vi cài đặt giá trị so sánh Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Đặt giá trị so sánh H Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Đặt giá trị so sánh L (Low) Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

- Đặt giá trị so sánh LL Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt

 Thơng số nhóm

Hình 5.40: Biểu đồ nhóm thơng số 3 - Hiển thị di chuyển tự động tới thông số

- Đặt giá trị giới hạn cao đầu truyền dẫn PV Nhìn vào phạm vi cài đặt bảng phạm vi cài đặt giá trị so sánh để cài đặt giới hạn.( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

- Đặt giá trị giới hạn thấp đầu truyền dẫn PV ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

- Đặt địa giao tiếp Đặt giới hạn: 00 ~ 99 (32 kênh) ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

75

- Chọn Remote Local (Off: sử dụng, On: khơng sử dụng)

- Khóa phím cho nhóm thơng số ( Ấn nút để di chuyển số cài đặt, ấn để thay đổi giá trị cài đặt)

Chế độ hoạt động

 Chế độ F1: Hiển thị tần số tính tốn, số vịng quay tốc độ tần số đầu vào A

Tần số (Hz) = f × α [α = 1s]

Số vịng quay (rpm) = f × α [α = 60s] Tốc độ (m/phút) = f × α [α = 60 x L(m)]

Trong đó: L - Chiều dài băng tải vịng xung

Hình 5.41: Biểu đồ thời gian chế độ F1

 Chế độ F2: Hiển thị tốc độ di chuyển ON đầu vào A ON đầu vào B Tốc độ di chuyển (V) = f × α [α = L (m)]

Trong đó: F - Số đối ứng thời gian On đầu vào A ON đầu vào B; L: Khoảng cách đầu vào A đầu vào B

Hình 5.42: Biểu đồ thời gian chế độ F2

 Chế độ F3: Hiển thị thời gian từ đầu vào A ON đến ON Chu kỳ (T) = t

76

Hình 5.43: Biểu đồ thời gian chế độ F3

 Chế độ F4: Hiển thị thời gian di chuyển khoảng cách định để đo thời gian ON ON đầu vào A

Thời gian di chuyển (s) = t × α

ky(m) chu xung vi pham ng chuyen tro di

cach Khoang

) (m L





Trong đó: t- thời gian đo (s)

L: khoảng cách định (m)

Hình 5.44: Biểu đồ thời gian chế độ F4  Chế độ F5: Hiển thị thời gian ON đầu vào A

Độ rộng thời gian (T) = t

Trong đó: t-thời gian ON đầu vào A (s)

Hình 5.45: Biểu đồ thời gian chế độ F5

 Chế độ F6: Hiển thị thời gian từ đầu vào A ON đến đầu vào B ON Khoảng thời gian (T) = t (Ta ~ Tb)

Trong đó: t (Ta ~ Tb) - thời gian đo từ đầu vào A ON đến đầu vào B ON

77

 Chế độ F7: Hiển thị tỉ lệ phần trăm nhanh hay chậm, tốc dộ, giá trị đầu vào B so với đầu vào A

Tỷ lệ tuyệt đối = Đầu vào B/Đầu vào A × 100%

Tỷ lệ tuyệt đối = (Tần số ngõ vào B [Hz] × Bα)/(Tần số ngõ vào A [Hz] × Aα) × 100% Trong đó: Aα - Giá trị đầu vào A; Bα: Giá trị đầu vào B

Hình 5.47: Biểu đồ thời gian chế độ F7

 Chế độ F8: Hiển thị tỉ lệ phần trăm nhanh hay chậm đầu vào B so với đầu vào A

Tỷ lệ lỗi =

Tỷ lệ lỗi = 100%

) A A x vao ngo so (Tan ) A A x vao ngo so (Tan -) B x B vao ngo so (Tan    

Hình 5.48: Biểu đồ thời gian chế độ F8

 Chế độ F9: Hiển thị tỷ lệ đầu vào B so với tổng cộng đầu vào A đầu vào B

Tỷ trọng = [Đầu vào B / (Đầu vào A + Đầu vào B)] x100%

Tỷ trọng = 100%

) B x B vao ngo so (Tan ) A A x vao ngo so (Tan ) B x B vao ngo so (Tan     

Hình 5.49: Biểu đồ thời gian chế độ F9

 Chế độ F10: Hiển thị lỗi đầu vào A chuẩn đầu vào B so sánh Lỗi = Đầu vào B – Đầu vào A

Lỗi = (Tần số đầu vào B [Hz] × Bα) - (Tần số đầu vào A [Hz] × Aα)

Hình 5.50: Biểu đồ thời gian chế độ F10

78

Trong đó: P - số xung đầu vào A; α -giá trị tỉ lệ

Hình 5.51: Biểu đồ thời gian chế độ F11

 Chế độ F12: Hiển thị số xung đầu vào A từ đầu vào B ON đến đầu vào B ON

Khoảng cách = P × α

Trong đó: P - số xung đầu vào A; α -giá trị tỉ lệ

Hình 5.52: Biểu đồ thời gian chế độ F12  Chế độ F13: Hiển thị giá trị đếm xung đầu vào A Tính nhân = P × α

Trong đó: P - số xung đầu vào A; α -giá trị tỉ lệ

Hình 5.53: Biểu đồ thời gian chế độ F13 6.2 Trình tự thực

Bước 1: Cấp nguồn cho mudule

Bước 2: Cài đặt số xung/ vòng cho encoder: nhấn OK để chuyển sang chế độ cài đặt Dùng phím để chỉnh 360- thị 360 xung/ vòng Nhấn ESC đến đèn Run báo sáng chuyển sang chế độ hoạt động hiển thị tốc độ

Bước 3: Thay đổi tốc độ tốc độ biến trở để tìm tốc độ tối đa cho phép động đo số vòng /phút, số vòng/ giây sử dụng thước đo tuyến tính Quan sát tốc độ quay motor hiển thị số vòng quay module hiển thị tốc độ Chú ý Led Run phải nháy sáng

79

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Trình bày phương pháp đo vịng quay góc quay

80 BÀI

CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC Giới thiệu

Giới thiệu loại cảm biến cảm biến siêu âm, cảm biến màu, cẩm biến trọng lượng, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất

Mục tiêu:

- Trình bày nguyên tắc hoạt động Cảm biến siêu âm, cảm biến màu sắc, cảm biến trọng lượng, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất

- Nêu ứng dụng cảm biến siêu âm, màu sắc, trọng lượng, lưu lượng áp suất

- Nhận biết cảm biến siêu âm, màu sắc, trọng lượng, lưu lượng áp suất mạch điện

- Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ vệ sinh cơng nghiệp Nộidung

1 Cảm biến siêu âm 1.1 Cấu trúc

Hình 6.1.Cảm biến siêu âm 1.2 Nguyên lý hoạt động

Sử dụng chuyển đổi đóng vai trị vừa phát vừa thu sóng âm Bộ chuyển đổi đặt đỉnh bình chứa Sóng âm dạng xung phát từ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu bị phản xạ trở lại chuyển đổi thu nhận để biến thành tín hiệu điện Khoảng thời gian từ thời điểm phát xung đến thời điểm thu sóng phản xạ tỉ lệ với khoảng cách từ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu Như vậy, qua để đánh giá mức chất lưu bình chứa

Cảm biến siêu âm chế tạo dựa nguyên lý phản xạ âm Người ta sử dụng phương pháp đo vận tốc âm truyền khơng khí Phương pháp đặc biệt ứng dụng với thiết bị sử dụng sóng siêu âm vận tốc di chuyển sóng khơng khí vật liệu khác tương đối chậm, người ta đo khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s khơng khí)

81 v t d  

Với d khoảng cách cần đo; v vận tốc truyền âm;t thời gian từ lúc sóng phát tới lúc nhận lại

1.3 Ưu, nhược điểm  Ưu điểm

- Vùng cảm biến rộng khoảng cách phát vật thể lên đến vài m - Có thể dùng để xác định vật thể có màu sắc vật liệu khó phân biệt - Có thể phát vật thể suốt ( vật liệu thủy tinh )

- Có thể làm việc môi trường dơ bụi  Nhược điểm

- Cảm biến siêu âm có giá thành cao, không kinh tế

- Cảm ứng siêu âm phản ứng tín hiệu chậm dạng cảm biến khác - Tần số chuyển mạch từ đến 125 HZ

1.4 Ứng dụng

Hình 6.2 Hình ảnh số cảm biến siêu âm thực tế

82 2 Cảm biến màu sắc

2.1 Cấu trúc

Hình 6.4: Cấu trúc cảm biến màu 2.2 Nguyên tắc hoạt động

Cảm biến màu phát ánh sáng đỏ (R), xanh (G), xanh dương (B) tới vật cảm biến, sau nhận ánh sáng phản xạ về, phân tích tỉ lệ ánh sáng R, G, B để phân biệt màu vật Biến đổi tín hiệu cảm biến màu thành số

Hình 6.5: Nguyên tắc hoạt động cảm biến màu 2.3 Đặc điểm

-Độ tin cậy cao -Dễ sử dụng

-Có thể dạy cho cảm biến biết màu vật (chức teach) 2.4 Ứng dụng

83

Hình 6.6: Ứng dụng cảm biến màu

-Phát loại sản phẩm khác màu: Với chức Teach, ta dạy sensor biết màu vật cần chọn Nếu vật khác màu lưu (tức khơng giống sản phẩm mong muốn), sensor xuất tín hiệu báo

Hình 6.7: Ứng dụng cảm biến màu

-Phát màu chất lỏng: Sensor E3MC phân biệt màu cách phát khác biệt màu phát với màu chuẩn đăng ký, sử dụng panel trắng phía sau giúp độ phản xạ cao

Hình 6.8: Ứng dụng cảm biến màu

84

Hình 6.9: Ứng dụng cảm biến màu

3 Cảm biến trọng lượng Load cell 3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động

Cấu tạo củaLoad cellgồm điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành cầu điện trở Wheatstone hình dán vào bề mặt thân loadcell

Hình 6.10: Cầu điện trở Wheatstone

Một điện áp kích thích cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở Wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góckhác

Thân Load cell khối kim loại đàn hồi tùy theo loại loadcell mục đích sử dụng loadcell, thânLoad cell thiết kế có hình dạng đặc biệt khác chế tạo vật liệu kim loại khác (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim)

85

Khi có tải trọng lực tác động lên thân load cell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn nén), điều dẫn tới thay đổi chiều dài tiết diện sợi kim loại điện trở strain gauges dán thân loadcell dẫn đến thay đổi giá trị điện trở strain gauges Sự thay đổi dẫn tới thay đổi điện áp đầu

Hình 6.12: Nguyên lý hoạt động Load cell

Sự thay đổi điện áp nhỏ, đo chuyển thành số sau qua khuếch đại thị cân điện tử (đầu cân)

3.2 Phân loại

Có thể phân loại loadcells sau:

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell)

86

Hình 6.13: Phân loại Load cell 3.3 Loadcells tương tự Loadcells số

3.3.1 Loadcells tương tự (analog loadcell)

Với loại load cell việc chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) thực thị indicator Tín hiệu từ loadcell tương tự (analog loadcell) truyền thị dạng điện áp

Hình 6.14:.Load cell Analog hiển thị

Tín hiệu ngõ loadcell phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp choload cell (chính điện áp cung cấp thị)

Ví dụ với loadcell capacity 10t thơng số ngõ 2mV/V, đặt lên loadcell tải trọng 10t, điện áp cung cấp cho loadcell 10V tín hiệu ngõ loadcell đạt 20 mV (2 mV x 10V) điện áp cung cấp cho loadcell 8V tín hiệu ngõ loadcell đạt 16 mV (2 mV x 8V)

Kết nối Loadcel

87

– Excitation đầu vào âm điện áp cung cấp + Output tín hiệu dương Loadcell – Output tín hiệu âm Loadcell

+ sense –sense dây dẫn nối trực tiếp với Excitation Có loại Loadcell

thì có, có loại khơng Có thể nối mà không nối Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo nên nối

Ưu điểm: Ưu điểm cơng nghệ xuất phát từ yêu cầu thực tế, với tham số xác định trước, có sản phẩm thiết kế phù hợp cho ứngdụng người dùng Ở phần tử cảm ứng có kích thước hình dạngkhác phù hợp với yêu cầu ứng dụng

Nhược điểm:

- Tín hiệu điện áp đầu Loadcell rất nhỏ (thường khơng q 30mV) Những tín hiệu nhỏ dễ dàng bị ảnh hưởng nhiều loại nhiễu công nghiệp

- Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: thay đổi thất thường nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn …

3.3.2 Loadcells số (digital loadcell)

Đối với load cell số, trình chuyển đổi từ tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số (A/D) thực thân loadcell Sau trình xử lý chuyển đổi cách xác, tín hiệu số (digital signal) đưa thị cân điện tử số (digital indicator)

Hình 6.15: Load cell Analog hiển thị

Với Loadcell số (digital loadcell), tín hiệu ngõ củaloadcelllà dạng số nên không phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp cho loadcell

Ví dụ với loadcell số (digital loadcell) có capacity 10t, đặt lên loadcell tải trọng 10t, tín hiệu ngõ 10.000 cho dù điện áp cung cấp cho loadcell có 10V hay 8V

Ưu điểm

- Tín hiệu số “khỏe”, bị ảnh hưởng nhiễu điện từ thay đổi nhiệt độ thất thường đường dây cable dẫn

- Khoảng cách dây cáp dẫn kéo dài đến 1200m

- Dữ liệu số xử lý trực tiếp máy tính, PLC hiển thị cần - Loadcellcó thể thay mà không cần chỉnh định lại; …

88 3.4 Ứng dụng

 Trong cơng nghiệp đời sống loadcell ứng dụng rộng từ cân điện tử dùng gia dụng đến cân dùng cân trọng lượng ô tô cân nguyên liệu đầu vào thành phẩm nhiều nhà máy

Hình 6.16: Sơ đồ hệ thống cân xe dùng Load cell

 Trong ngành công nghệ cao: Với khoa học kĩ thuật tiên tiến loại Loadcell cỡ nhỏ cải tiến cơng nghệ tính ứng dụng cao Loại Loadcell gắn vào đầu ngón tay robot để xác định độ bền kéo lực

nén tác động vào vật chúng cầm nắm nhấc lên

 Ứng dụng cầu đường: Các Loadcell sử dụng việc cảnh báo độ an toàn cầu treo Loadcell lắp đặt dây cáp để đo sức căng cáp treo sức ép chân cầu điều kiện giao thông thời tiết khác Các liệu thu gửi đến hệ thống thu thập xử lí số liệu, sau số liệu xuất qua thiết bị truy xuất điện thoại, máy tính, LCD Từ có cảnh báo độ an toàn cầu Từ tìm biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời

Hình 6.17: Ứng dụng load cell cân tải 4 Cảm biến lưu lượng

89

đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thị trường, loại lưu lượng kế đa dạng ln sẵn có cho ứng dụng công nghiệp hay dân dụng Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dịng chảy hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng yêu cầu độ xác phép đo Các yếu tố khác hạn chế khí kết nối đầu mở rộng ảnh hưởng đến định chọn lựa Nói chung, độ xác lưu lượng kế cịn phụ thuộc vào mơi trường đo xung quanh Các ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay tác động bên ngồi ảnh hưởng đến kết đo

Các cảm biến lưu lượng phân làm bốn nhóm dựa vào nguyên lý hoạt động chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm

4.1 Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất

Lưu lượng kế loại hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức chênh lệch áp suất xảy chỗ thắt ngẫu nhiên đường chảy, dựa vào chênh áp suất để tính tốn vận tốc dịng chảy Cảm biến lưu lượng loại thường có dạng lỗ orifice, ống pitot ống venture Hình thể loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ tạo nút thắt dòng chảy

Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc chất lỏng khỏi lỗ tròn lớn vận tốc chất lỏng đến lỗ Theo nguyên lý Bernoulli, điều có nghĩ áp suất phía mặt vào cao áp suất mặt Tiến hành đo chênh lệch áp suất cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy.Dựa vào vận tốc dòng chảy tính lưu lượng thể tích dịng chảy

Hình 6.18: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice) Đo lưu lượng dạng Orifice

90

Hình 6.19: Đo lưu lượng dạng Orifice Đo lưu lượng Venturi

Venturi đo lưu lượng sử dụng để đo lường ổn định pha dây dẫn khép kín dịng chất lỏng, thường sử dụng phep đo khơng khí, khí đốt, nước dịng chảy chất lỏng khác

Hình 6.20: Đo lưu lượng dạng Venturi Đo lưu lượng Nozzle

Hình 6.21: Đo lưu lượng Nozzle Đo lưu lượng Pitot

Hình 6.22: Đo lưu lượng Pitot Lưu ý:

91 nghiệp cần lưu ý điểm sau:

- Cảm biến chế tạo dựa công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng;

- Phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp; - Độ xác thấp dải lưu lượng nhỏ;

- Sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách đoạn ống dẫn, đỏi hỏi phải tiêu hao thêm lượng chạy bơm;

- Yêu cầu xác vị trí lắp đặt lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dịng chảy

Hình 6.23: Một số hình ảnh cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất 4.2 Cảm biến lưu lượng điện từ

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday dùng để đo dịng chảy chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2) Theo định luật Faraday, chất lỏng chảy qua đường ống sinh điện áp cảm ứng Điện áp lấy hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo

92

Hình 6.24: Cảm biến lưu lượng điện từ Lưu ý:

Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến điểm sau: - Chỉ đo chất lỏng có khả dẫn điện;

- Sự chọn lựa điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống cách lắp đặt;

- Khơng có tổn hao hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp;

- Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt xi măng, thạch cao, … cảm biến đo loại khơng có phận lắp đặt phía ống dẫn;

- Độ xác cao, sai số ±1% dải thị lưu lượng; - Giá thành cao

Hình 6.25: Một số hình ảnh lưu lượng cảm biến điện từ 5 Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất dạng thiết bị dùng để đo áp suất hay nói cách cụ thể chuyển đổi từ đại lượng áp suất sang đại lượng điện Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất gần giống loại cảm biến khác cần nguồn tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị vi xử lý, vi xử lý tín hiệu đưa tín hiệu

5.1 Khái niệm

93

- Áp suất tuyệt đối: áp suất chênh lệch điểm đo chân không tuyệt đối (áp suất 0)

- Áp suất dư/tương đối: áp suất chênh lệch điểm đo môi trường xung quanh (khí quyển)

- Áp suất vi sai: áp suất chênh lệch hai điểm đo, điểm chọn làm điểm tham chiếu

- Đơn vị đo

+ Trong hệ SI: Pascal (Pa), Pa = N/m2 = 10-5 bar + Châu Âu: bar, Bắc Mỹ: psi, Châu Á: kg/cm2, Mpa

Bảng 6.1: Mối quan hệ đại lượng đo áp suất

5.2 Nguyên lý đo áp suất

Cảm biến áp suất thiết bị cảm nhận áp suất đường ống bồn chứa có áp suất….Áp suất chuyển đổi thành tín hiệu điện áp dịng điện Các tín hiệu truyền biến tần PLC để điều khiển động hoạt động

Hình 6.26: Các loại cảm biến áp suất thường dùng

94

Hình 6.27: Cấu tạo cảm biến áp suất + Electric connection: Kết nối điện

+ Amplifier: Bộ khuếch đại tín hiệu + Sensor: Màng cảm biến xuất tín hiệu

+ Process Connection: Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất) Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất

Hình 6.28: Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất

Theo sơ đồ thấy khí áp suất Dương ( + ) đưa vào lớp màng căng lên từ trái sang phải , đưa vào áp suất âm ( – ) lớp màng căng lên từ phải sang trái Chính dịch chuyển đưa tín hiệu mạch xử lý đưa tín hiệu để biết áp suất đưa vào

+ Hình bên trái: Khi khơng có áp suất => Hight = Low = Ov output + Hình giữa: Khi có áp suất nén => Hight > Low = + V Output

95

Cảm biến áp suất dãy đo 0-10bar Tín hiệu ngõ ra: 0-10V Khi áp suất đạt 0-5bar tín hiệu điện áp xuất 0-5V Tương tự áp áp đạt giới hạn max 10bar tín hiệu điện áp 10V

Cảm biến áp suất chân không dãy đo -1…0bar Tín hiệu ngõ ra: 4-20mA Điều có nghĩa khơng có tác động lực hút áp suất 0bar tương ứng với tín hiệu dịng 4mA Khi lực hút đạt giới hạn max -1bar cảm biến xuất tín hiệu dịng 20mA

5.3 Ứng dụng

Đối với trường hợp dùng cảm biến áp suất dùng cho máy nén khí, áp suất nước, dầu thủy lực chất lỏng khơng có tính ăn mịn khác dùng loại cảm biến áp suất thường Các dãy đo áp suất 0-0.1bar; 0-0.16bar; dùng để đo mức nước tĩnh bồn chứa áp suất Mức nước tính sau: 1bar = 10mH2O (hoặc 100mbar = 100mmH20)

Trường hợp ứng dụng cho môi trường thực phẩm như: sữa, nước khải khát…thì bắt buộc phải dùng cảm biến áp suất màng đảm bảo tiêu chuẩn thực phẩm

Cảm biến áp suất dùng cho xăng, dầu….ngành dầu khí phải đảm bảo tiêu chuẩn chống cháy nổ

Tùy vào nhu cầu sử dụng mà ta chọn loại cảm biến phù hợp

Hình 6.29 : Cảm biến áp suất xác cao – phịng nổ Atex CÂU HỎI ƠN TẬP

1 Trình bày khái niệm cảm biến lực, áp suất, lưu lượng, siêu âm? Trình bày nguyên lý hoạt động Load Cell?

3 Cho cách phân loại Load Cell?

4 Cho biết ưu nhược điểm load cell tương tự load cell số? Cho biết cách phân loại cảm biến áp suất?

96

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]-Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2006

[2]-Ngũn Văn Hịa, Giáo trình đo lường cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005

[3]-Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2006

[4]-Lê Văn Doanh, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2001

LM35 cảm biến Cảm biến áp suất