Giáo trình Đo lường cảm biến - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Giáo trình Mô đun Đo lường cảm biến được biên soạn bao gồm phần lý thuyết trình bày cấu tạo, nguyên lý các cảm biến thông dụng đo các đại lượng không điện; phần thực hành hướng dẫn chi tiết thao tác thực hành rèn luyện kỹ năng cho sinh viên lắp mạch, thu thập dữ liệu, tính toán và phân tích đặc tính các cảm biến.

LỜI NĨI ĐẦU Mơ đun Đo lường cảm biến mô đun quan trọng sinh viên ngành điện, trang bị cho sinh viên kiến thức đại lượng không điện, nguyên lý đo đại lượng không điện phổ biến Giáo trình Mơ đun Đo lường cảm biến biên soạn bao gồm phần lý thuyết trình bày cấu tạo, nguyên lý cảm biến thông dụng đo đại lượng không điện; phần thực hành hướng dẫn chi tiết thao tác thực hành rèn luyện kỹ cho sinh viên lắp mạch, thu thập liệu, tính tốn phân tích đặc tính cảm biến Giáo trình Mô đun Đo lường cảm biến bao gồm bài: Bài 1: Khái niệm chung cảm biến Bài 2: Đo nhiệt độ Bài 3: Đo vị trí dịch chuyển Bài 4: Đo vận tốc, gia tốc độ rung Bài 5: Đo lực trọng lượng Bài 6: Đo áp suất Bài 7: Đo mức, lưu lượng đại lượng khác Nhóm tác giả biên soạn giáo trình tham khảo nhiều tài liệu liên quan, tham khảo ý kiến đồng nghiệp Tuy nhiên nhiều thiếu sót, chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp em sinh viên để chúng tơi hồn thiện giáo trình này! Chân thành cảm ơn! Mục lục LỜI NÓI ĐẦU BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN I MỤC TIÊU BÀI HỌC II NỘI DUNG 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại cảm biến 1.3 Các thông số kỹ thuật cảm biến 1.4 Nhiễu cách khắc phục 12 CÂU HỎI LUYỆN TẬP 13 1.5 Giới thiệu phần mềm Labsoft dùng đo lường cảm biến 13 BÀI 2: ĐO NHIỆT ĐỘ 32 I MỤC TIÊU BÀI HỌC 32 II NỘI DUNG 32 2.1 Khái niệm chung đo nhiệt độ 32 2.2 Cảm biến nhiệt điện trở 33 CÂU HỎI LUYỆN TẬP 36 2.3 Cặp nhiệt điện 51 CÂU HỎI LUYỆN TẬP 53 2.4 Cảm biến nhiệt có cấu trúc tiếp giáp P-N 62 CÂU HỎI LUYỆN TẬP 68 BÀI 3: ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 69 I MỤC TIÊU BÀI HỌC 69 II NỘI DUNG 69 3.1 Cảm biến vị trí, dịch chuyển kiểu điện trở 69 3.2 Cảm biến vị trí dịch chuyển kiểu điện cảm 71 CÂU HỎI LUYỆN TẬP 73 3.3 Cảm biến vị trí dịch chuyển kiểu điện dung 82 3.4 Cảm biến siêu âm đo vị trí dịch chuyển 89 3.5 Thước đo tuyến tính (Encoder tăng) đo vị trí dịch chuyển 95 3.6 Cảm biến tiệm cận 96 CÂU HỎI LUYỆN TẬP .123 BÀI 4: ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ ĐỘ RUNG 124 I MỤC TIÊU BÀI HỌC .124 II NỘI DUNG .124 4.1 Đo vận tốc 124 CÂU HỎI LUYỆN TẬP .128 4.2 Đo gia tốc 151 4.3 Đo độ rung 152 BÀI 5: ĐO LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG 154 I MỤC TIÊU BÀI HỌC .154 II NỘI DUNG .154 5.1 Đo lực .154 CÂU HỎI LUYỆN TẬP .160 5.2 Đo trọng lượng 170 BÀI 6: ĐO ÁP SUẤT 175 I MỤC TIÊU BÀI HỌC .175 II NỘI DUNG 175 6.1 Khái niệm chung .175 6.2 Cảm biến áp suất kiểu áp trở 177 BÀI 7: ĐO MỨC, LƯU LƯỢNG VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÁC 195 I MỤC TIÊU BÀI HỌC .195 II NỘI DUNG .195 7.1 Đo mức .195 7.2 Đo lưu lượng .214 7.3 Đo đại lượng khác 215 Phụ Lục 221 TÀI LIỆU THAM KHẢO 223 BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN I MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau học xong học sinh viên có khả năng: Kiến thức: - Trình bày khái niệm cảm biến đo lường cảm biến - Trình bày cách thức cài đặt phần mềm Labsoft Kỹ năng: - Nhận biết, tra cứu thông số kỹ thuật cảm biến từ catalogue, từ Internet - Sử dụng công cụ thiết bị ảo phần mềm Labsoft - Bảo quản dụng cụ đo, cảm biến theo quy trình kỹ thuật Thái độ: - Nghiêm túc học tập, tích cực luyện tập - Tổ chức nơi thực hành gọn gàng, ngăn nắp - Đảm bảo an toàn cho người thiết bị II NỘI DUNG 1.1 Khái niệm 1.1.1 Các khái niệm Đo lường cảm biến (đo lường không điện) Là dùng cảm biến để biến đổi đại lượng đo (thường không điện: nhiệt độ, khoảng cách, tốc độ ), đại lượng điện đo chúng dựa phép đo điện Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo không điện Máy đo dù đơn giản hay phức tạp có cấu tạo gồm khâu (hình 1.1) X Cảm biến Y Mạch đo Bộ thị Hình 1.1 Cấu tạo dụng cụ đo khơng điện Cảm biến: Là phận thu nhận biến đổi thay đổi đối tượng cần nghiên cứu thành thay đổi đại lượng điện đầu Trong dụng cụ đo không điện, cảm biến khâu quan trọng máy đo, định độ nhạy độ xác máy đo, cảm biến biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện Mạch đo: Gia cơng tín hiệu từ cảm biến tới cho phù hợp với thị gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng Bộ thị: Chỉ thị kết đo (số, điện tử, kim ) 1.1.2 Định nghĩa cảm biến Cảm biến (chuyển đổi) phận thu nhận biến đổi thay đổi đại lượng không điện (nhiệt độ, khoảng cách, tốc độ ) đặc trưng cho đối tượng cần nghiên cứu thành thay đổi đại lượng điện (điện áp, dòng điện, điện trở ) đầu theo quan hệ hàm đơn trị Hay, cảm biến thiết bị cảm nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích 1.1.3 Vị trí vai trị ứng dụng cảm biến Cảm biến có vai trị quan trọng hệ thống cơng nghiệp, thiết bị nhóm thiết bị cấp trường với thiết bị chấp hành Cảm biến thu thập liệu, tín hiệu từ thiết bị chấp hành (Actuators) truyền lên thiết bị thu thập xử lý tín hiệu, điều khiển (controllers) Mơ hình mạng cơng nghiệp mơ tả hình 1.2 Hình Mạng công nghiệp Cảm biến đo lường phong phú, đa dạng, chúng đo tất đại lượng không điện có ứng dụng to lớn rộng rãi Ví dụ cảm biến quang đếm sản phẩm (hình 1.3) Hình Ứng dụng cảm biến quang Cảm biến áp suất đo áp suất hệ thống khí nén (hình 1.4) Hình Ứng dụng cảm biến áp suất Cảm biến siêu âm báo mức (hình 1.5) Hình Ứng dụng cảm biến siêu âm báo mức Cảm biến Encoder đo tốc độ trục động (hình 1.6) Hình Ứng dụng cảm biến Encoder đo tốc độ động Và cịn vơ vàn ứng dụng hữu ích khác 1.2 Phân loại cảm biến Cảm biến phân loại theo tiêu chí sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi kích thích đáp ứng - Nhiệt điện - Quang đàn hồi - Quang điện - Từ điện - Quang từ - Nhiệt từ - Điện từ Hiện tượng hoá học: - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hoá Hiện tượng sinh học : - Biến đổi vật lý - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá - Hiệu ứng thể sống - Cường độ 1.2.2 Theo tính cảm biến - Độ nhạy - Độ trễ - Độ xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ - Dải tần - Khả tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng 1.2.3 Phân loại theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Dân dụng - Giao thơng - Mơi trường, khí tượng - Vũ trụ - Thông tin, viễn thông - Quân - Nông nghiệp 1.2.4 Phân loại theo thơng số mơ hình mạch điện thay + 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 1.2.5 Phân loại theo yêu cầu nguồn cung cấp - Cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thường chế tạo từ trở kháng có thơng số chủ yếu phụ thuộc vào đối tượng đo Một mặt giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học mẫu, mặt khác cịn phụ thuộc vào tính chất điện vật liệu điện trở suất  , độ từ thẩm  , số điện môi  Vì vậy, giá trị trở kháng bị thay đổi đại lượng đo tác động gây ảnh hưởng đến kích thước hình học, tính chất điện cảm biến đồng thời làm thay đổi kích thước hình học tính chất điện vật liệu làm cảm biến Thơng số hình học kích thước trở kháng thay đổi cảm biến có phần tử chuyển động phần tử biến dạng Trong trường hợp cảm biến chứa phần tử chuyển động, vị trí chuyển động tương ứng với giá trị trở kháng đo trở kháng xác định vị trí đối tượng Đây nguyên lý nhiều loại cảm biến đo vị trí dịch chuyển mà ta nghiên cứu chương Trong trường hợp thứ hai, cảm biến có phần tử biến dạng Sự biến dạng gây nên lực đại lượng dẫn đến lực tác dụng trực tiếp gián tiếp lên cảm biến, loại thường ứng dụng để chế tạo cảm biến đo biến dạng, gia tốc, độ rung, lực, trọng lượng, áp suất Phụ thuộc vào chất vật liệu khác nhau, tính chất điện chúng nhạy với nhiều đại lượng vật lý nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm Nếu có đại lượng thay đổi cịn đại lượng khác giữ không đổi, thiết lập quan hệ đơn trị đại lượng với trở kháng cảm biến Hầu hết cảm biến địi hỏi có cung cấp lượng từ bên ngồi hay tín hiệu kích thích để hoạt động Nguồn tín hiệu có nhờ lượng cung cấp Ví dụ: Thermistors, RTD Trở kháng cảm biến thụ động thay đổi trở kháng tác dụng đại lượng cần đo xác định cảm biến thành phần mạch điện Trên thực tế, tùy trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với cảm biến - Cảm biến tích cực Cảm biến tích cực phát tín hiệu đáp trả lại tác động bên mà khơng cần lượng cung cấp từ bên ngồi Nguồn tín hiệu có nhờ tác nhân kích thích Ví dụ: Cặp nhiệt điện (Thermocouple), máy phát tốc 1.2.6 Phân loại theo dạng tín hiệu - Cảm biến tương tự Cung cấp tín hiệu liên tục cường độ, thời gian không gian Hầu hết giá trị đo lường vật lý mang chất tương tự: Ví dụ: nhiệt độ, dịch chuyển, cường độ sáng - Cảm biến số Tín hiệu (output) chúng giữ trạng thái bước hay rời rạc Tín hiệu số dễ dàng lập lại, đáng tin cậy dễ truyền xa Ví dụ: Encoder, contact switch Ck A B Trục Đếm Tốc độ, chiều quay Bánh Hình Ví dụ cảm biến số 1.2.7 Phân loại theo phạm vi sử dụng - Cảm biến công nghiệp - Cảm biến giao thông - Cảm biến y tế 1.3 Các thông số kỹ thuật cảm biến 1.3.1 Phương trình chuyển đổi (Hàm truyền, phương trình đặc trưng) Đại lượng điện (Y) ngõ cảm biến biểu diễn theo ngõ vào khơng điện (X) qua hàm f Tức là: Y = f (X ) (1 1) Biểu thức (1.1) gọi phương trình chuyển đổi cảm biến Như vậy, phương trình chuyển đổi (transfer function) biểu thức toán học biểu thị mối quan hệ đầu vào đầu cảm biến X Chuyển đổi Đại lượng không điện Y Đại lượng điện Hình Ngõ vào chuyển đổi Thực tế đại lượng cần đo tác động vào cảm biến có nhiều yếu tố tác động vào cảm biến Vì vậy, biểu diễn ngõ vào ngõ cảm biến hình 1.4 Hình 1.9 Biểu diễn ngõ vào cảm biến theo thực tế Theo hình 1.4 Quan hệ vào cảm biến biểu diễn: Y = f(X, X1, X2 …Xn ) Trong (1 2) X đại lượng khơng điện cần đo (đại lượng chủ đạo ); X1, X2… đại lượng phụ (nhiễu) Do mong muốn ảnh hưởng Xi tức đạt (1.1) 1.3.2 Độ nhạy (sensitivity) Định nghĩa: Độ nhạy tỉ số biến thiên đầu biến thiên đầu vào Độ nhạy chủ đạo S X Y Y  X  X X  lim Độ nhạy chủ đạo lớn tốt Y Y  Độ nhạy phụ (1 3) S Xi  lim Xi0 Xi Xi với Xi biến phụ thứ i, SX i bé tốt (lí tưởng SX i =0 ) Ví dụ1: Để đo kích thước nên chọn cảm biến cảm biến sau Cảm biến SX SX CB1 100Ω/mm 1Ω /0C CB2 105Ω/mm 0,05Ω /0C Theo định nghĩa độ nhạy thấy chọn cảm biến nên chọn cảm biến có độ nhạy chủ đạo lớn độ nhạy phụ nhỏ Như cảm biến chọn vì: SXCB2> SXCB1 SX1CB2 < SX1CB1 Độ nhạy giúp ích nhiều việc chọn lựa cảm biến có nhiều trường hợp dựa vào độ nhạy thơi khơng đủ sở để chọn lựa nên thông số đưa Đó độ chọn lựa Độ chọn lựa (selectivity): Độ chọn lựa tỉ số độ nhạy chủ đạo độ nhạy phụ 10 100 Input settings Channel A Channel B Meas range: 10 V Meas range: 10 V Coupling: DC Range: 100 Offset: Coupling: DC Range: 100 Offset: Optional settings Step change from to 50% Delay time/ms: Number of measurements: 300 Bước 5: Cấu hình điều khiển theo luật P, thiết lập hệ số KP 10 Xác định đường cong biến điều khiển kênh A biến thao tác kênh B Bước 6: Giảm bước KP biến thao tác tăng chở lại giá trị cực đại không chậm giây sau bước điểm đặt chuyển tiếp Bước 7: Vẽ lại đường đáp ứng vào phiếu luyện tập 7.4 Bước 8: Kích hoạt điều khiển luật I, thiết lập hệ số thời gian tích phân T N =1s, thực lặp lại thí nghiệm trên, tăng hệ số thời gian tích phân đến biến điều khiển đạt giá trị ổn định khơng vượt qua ngưỡng Vẽ lại đường đặc tính vào phiếu luyện tập 7.5 Bước 9: Lặp lại phần thí nghiệm với việc thiết lập điều khiển dòng biến dòng đầu thay đổi van đầu V2 đạt trạng thái xác lập Vẽ lại đường đặc tính vào phiếu luyện tập 7.6 Luyện tập a) Sinh viên luyện tập thực hành theo phiếu luyện tập PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.1 Tên kỹ năng: Khảo sát đặc tính cảm biến báo mức Họ tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập: 209 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.2 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển biến thao tác Họ tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập: 210 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.3 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển biến thao tác (điều khiểm mức vị trí có trễ) Họ tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập: PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.4 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển biến thao tác (khảo sát luật điều khiển P) Họ tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập: 211 PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.5 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển biến thao tác (khảo sát luật điều khiển I) Họ tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập: PHIẾU LUYỆN TẬP SỐ 7.6 Tên kỹ năng: Vẽ đặc tính biến điều khiển biến thao tác (khảo sát luật điều khiển PI) Họ tên sinh viên: MSSV: Nhóm: Lớp: Ngày: Giáo viên hướng dẫn: Ca thực tập: b) Kiểm tra đánh giá Kiểm tra đánh giá kết thực hành theo tiểu kỹ tiến hành theo phiếu đánh giá 212 PHIẾU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HÀNH Tên bài: Khảo sát số cảm biến Họ tên sinh viên:…………… MSSV: Nhóm…………Lớp……… Ngày …tháng …năm Giáo viên hướng dẫn Ca thực tập TT Điểm Tiêu chí đánh giá Yêu cầu chuẩn Chọn thiết bị, dụng cụ - Chủng loại Ghi đánh giá Mỗi lỗi trừ 10 - Phù hợp yêu cầu Điểm điểm Mỗi lỗi trừ Lắp đặt thiết bị - Gá lắp thiết bị - Cắm dây nguồn 10 Lắp ráp sơ đồ mạch đo - Đúng Sơ đồ nguyên lý - Gọn gàng khoa học 10 Mỗi lỗi trừ điểm Chọn thiết lập thông số thiết bị đo - Chọn thiết bị 10 Mỗi lỗi trừ 5 - Thiết lập thông số điểm điểm 5 Tiến hành thay đổi thơng số đầu vào - Đúng trình tự - Đúng nguyên tắc 20 Mỗi lỗi trừ 10 điểm 10 Đọc kết đo - Đọc kết 10 Mỗi lỗi trừ 10 điểm Tính tốn kết đo - Áp dụng cơng thức - Tính tốn kết 10 Sai số 3% trừ điểm Thành lập bảng vẽ biểu đồ - Bảng kết - Biểu đồ 10 Mỗi lỗi trừ 5 điểm 10 Chậm phút trừ điểm Thời gian thực 20 phút Tổng cộng 100 Chú ý: Mỗi tiêu chí bị thời gian bị trừ nửa số điểm, thời gian thực kiểm tra lớn tổng thời gian quy định không tính điểm Giáo viên ký tên 213 7.2 Đo lưu lượng 7.2.1 Khái niệm chung Chất lưu loại vật chất dạng lỏng khí tồn điều kiện nhiệt độ, áp suất định Dưới tác dụng ngoại lực có chênh lệch áp suất chất lưu chuyển động Lưu lượng, vận tốc chất lưu thơng số quan trọng q trình công nghệ, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm Để nâng cao chất lượng sản phẩm, hiệu điều khiển hệ thống tự động cần phải đo xác thơng số Nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế cảm biến đo lưu lượng chế tạo với nhiều hình dạng phương pháp đo khác Lưu lượng vật chất số lượng chất chảy qua tiết diện ngang ống dẫn đơn vị thời gian Lưu lượng tức thời tính dv Q dt Lưu lượng khối tức thời dm G dt với v- thể tích; m- khối lượng Lưu lượng trung bình tính Qtb  v(t2  t1 ) (7 4) (7 5) (7 6) từ biểu thức (2.153) (2.154) ta có t2 v   Qdt (7 7) t1 t2 m   Gdt (7 8) t1 t1- thời điểm đầu; t2- thời điểm cuối Lưu lượng tính theo thể tích đơn vị m3/s m3/h Lưu lượng tính theo khối lượng đơn vị Kg/s tấn/h 7.2.2 Đo lưu lượng phương pháp đếm xung Cấu tạo Cảm biến đo lưu lượng phương pháp đếm xung minh hoạ hình 2.116 Gồm có tuabin cánh quạt (1) quay giá đỡ (2) gắn với đỡ (3) đặt ống dẫn Trục tuabin làm vật liệu không dẫn từ, có gắn lõi thép (4) Bên ngồi ống nam châm vĩnh cửu (5) có quấn cuộn dây cảm ứng (6) Nguyên lý hoạt động Khi tuabin quay, từ thông nam châm tăng lên lõi thép nằm dọc 214 trục nam châm giảm lõi thép nằm vuông góc với Làm từ thơng móc vịng qua cuộn dây biến thiên, kết hai đầu cuộn dây xuất sức điện động cảm ứng có tần số tỷ lệ với hai lần tốc độ tuabin (do vịng tuabin lõi thép thay đổi vị trí tương đối so với trục dọc nam châm lần làm từ thơng móc vịng thăng giáng lần) Tần số sức điện động đưa mạch để đo theo phương pháp khác (dùng tần số kế thị số biến đổi f-V đo điện áp) từ tần số ta suy tốc độ dòng chảy Dòng chảy N Ef S Hình 15 Cảm biến lưu lượng phương pháp đếm xung v f (7 9) Từ ta có lưu lượng f S (7 10) Q  v.S  Trong v- vận tốc dịng chảy; S- tiết diện ống Đặc điểm Với phương pháp đo lưu lượng từ 0,5 -150000 lít/phút với chất lỏng 5- 100000 lít/phút với chất khí, cấp xác 0,3 đến 1% Ngồi người ta dùng cảm biến Hall, cảm biến tiệm cận để thay cho cuộn dây ngoại ống dẫn cho kết đo tương tự 7.3 Đo đại lượng khác 7.3.1 Đo độ ẩm Khái niệm chung Độ ẩm thông số quan trọng tác động trực tiếp đến người, thiết bị máy móc q trình lý hố Người ta nghiên cứu thấy độ ẩm cần thiết để người cảm thấy dễ chịu nằm dải từ 30% - 70%, độ ẩm xuống ngưỡng 30% tăng ngưỡng 70% làm máy tiêu hố bị kích thích mồ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Trong cơng nghiệp, thiết bị, máy móc, độ ẩm có ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động tuổi thọ chúng đặc biệt thiết bị điện - điện tử Do việc đo xác định độ ẩm nhằm điều khiển khống chế độ ẩm giới hạn cho phép nhiệm vụ quan trọng q trình cơng nghệ, điều 215 khiển, thiết kế chế tạo thiết bị đời sống Một số loại ẩm kế Trên thực tế ẩm kế thường phân thành hai loại + Loại thứ dựa nguyên lý vật lý cho phép xác định trực tiếp độ ẩm, ví dụ ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly + Loại thứ có nguyên lý dựa việc đo tính chất điện vật có liên quan đến độ ẩm, ví dụ ẩm kế biến thiên trở kháng (ẩm kế điện trở, ẩm kế điện dung ) Ẩm kế điện trở Là thiết bị đo độ ẩm dựa cảm biến điện trở, chúng chia thành hai loại: Điện trở kim loại: Là đế cách điện có kích thước khoảng vài mm2 phủ lớp hút ẩm gắn hai điện cực kim loại có khả chống ăn mịn oxy hoá Giá trị điện trở đo hai cực phụ thuộc vào hàm lượng nước nhiệt độ chất hút ẩm Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối nhiệt độ Chất điện phân: Là chất dẫn điện, điện trở chúng phụ thuộc vào thể tích thể tích bị thay đổi theo hàm lượng nước, biến đổi độ ẩm tương đối thành tín hiệu điện Trong thực tế điện trở cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm tương đối nhiệt độ Để loại bỏ ảnh hưởng ta dùng điện trở có hệ số nhiệt giống cảm biến để thực bù nhiệt Đặc điểm cảm biến điện trở đo độ ẩm từ ữ 95% dải nhiệt độ từ -100C ữ 600C, thời gian đáp ứng 10s, sai số - 2,5% đế cách điện; vật liệu nhạy ẩm mối hàn; điện cực a b Hình 16 a Cấu tạo cảm biến độ ẩm kiểu điện trở b Một số dạng cảm biến độ ẩm kiểu điện trở Ẩm kế tụ điện Cấu tạo ẩm kế tụ điện tụ điện mà hai cực khơng khí coi cảm biến độ ẩm đo ẩm khơng khí làm thay đổi số điện môi biểu diễn theo biểu thức: 216   1 48Pbh  211  P U  10  T  T  (7 11) Trong T- nhiệt độ tuyệt đối (0K); P- áp suất khí ẩm (mmHg) Pbh - áp suất bão hoà nhiệt độ T (mmHg); U độ ẩm tương đối Mặt khác ta lại có điện dung C tụ tỷ lệ thuận với  nên C tỷ lệ với độ ẩm tương đối Nếu ta thay khơng khí chất điện mơi khác đặt vào hai cực tạo cảm biến độ ẩm Ẩm kế tụ điện Polyme Cấu tạo cảm biến tụ Polyme gồm màng Polyme có độ dày 12 m có khả hấp thụ nước Lớp Polyme phủ lên cực làm o o Tantan sau phủ tiếp lên lớp Polyme lớp Crom dày 100 A  10000 A làm điện cực thứ hai Đặc điểm cảm biến thời gian hồi đáp vài giây phụ thuộc vào độ dày lớp điện môi, dải đo từ 0%  100%, dải nhiệt độ làm việc từ 400C ữ 1000C Ẩm kế tụ điện ôxit nhôm Cảm biến cấu tạo tụ điện Al2O3 chất điện mơi chế tạo phương pháp Anode hoá thân nhôm làm điện cực thứ tụ Điện cực thứ hai màng kim loại mỏng tạo thành mặt lớp điện môi Chiều dày lớp Al2O3 nhỏ 0,3 m Sự thay đổi trở kháng tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần nước không phụ thuộc vào nhiệt độ Điện cực xốp tantan Polyme Cr-Ni-Au Đế HCH-1000-001 HCH-1000-002 Hình 17 Ẩm kế kiểu tụ điện Polyme mộ số hình dạng thực tế Q trình Anơt hố thực phương pháp điện phân dung dịch H2SO4 với nhôm làm điện cực dương Điện cực thứ dùng Đồng, Vàng Platin, Niken - Crôm - Nhôm Đặc điểm cảm biến đo nhiệt độ hố sương Ts phạm vi thay đổi từ -800 C đến +700C với dải áp suất từ ữ 100 Pa, thời gian hồi 217 đáp cỡ vài giây Nhược điểm cảm biến không sử dụng môi trường ăn mòn NaCl, lưu huỳnh lớp xốp Al2O3 SiO2 Al Au Đầu Si Hình 18 Ẩm kế tụ điện Al2O3 7.3.2 Đo độ pH cáp đồng trục đầu cách điện phích cắm đồng trục vỏ bọc thân vỏ bọc chất lỏng điền đầy (pH=7) phần tử so sánh nội phần nhạy cảm Hình 19 Cảm biến đo độ pH Độ pH thể tính axít dung dịch sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: nơng nghiệp, cơng nghiệp hố học, hoá dầu, thực phẩm, dược, y sinh Để đo độ pH ta thường dùng điện cực thuỷ tinh thuỷ tinh chất dẫn điện yếu, điện mặt phân cách dung dịch thuỷ tinh phụ thuộc vào độ pH theo biểu thức E  E0  RT ln aH  F (7 12) E0 - Điện chuẩn; aH  hoạt độ theo ion H+ dung dịch cần nghiên cứu Cấu tạo cảm biến điện cực thuỷ tinh minh hoạ hình 7.19 Trong gồm bầu thuỷ tinh mỏng dạng hình cầu làm loại thuỷ tinh có thành phần đặc biệt Bên chứa dung dịch có độ pH xác định (pH =7) đặt phần tử so sánh nội (AgCl) Khi đo độ pH dung dịch, điện cực đặt vào dung dịch đo hiệu điện 218 suất phần tử so sánh nội với điện cực so sánh ngồi nằm dung dịch với vơn mét có điện trở vào lớn  1012  ta 2,3RT (7 13) E  E0  pH F E0 - điện chuẩn điện cực thuỷ tinh 7.3.3 Đo nồng độ khí Ngày nay, việc đo nồng độ thành phần hỗn hợp khí chiếm vai trị quan trọng công nghiệp để giảm ô nhiễm môi trường Do cảm biến đo thành phần khí phát triển mạnh Chúng nghiên cứu, chế tạo để phát đo phân tử khí tiêu thụ sản sinh q trình oxy hố nhiên liệu O2, CO2, H2 O, CO, SO2 Trong số cảm biến đo thành phần khí, cảm biến đo nồng độ oxy chiếm vị trí đặc biệt, cảm biến sử dụng chất điện phân rắn Loại cảm biến phân tích nhanh xác thành phần oxy ứng dụng rộng rãi lĩnh vực hoá chất, luyện kim, chế biến thực phẩm sinh hố Ngồi sản phẩm phân tích q trình oxy hố, cảm biến cịn có khả phân tích loại khí khác Cl2, HCl, H2S, H2 Các cảm biến đo thành phần khí chia thành loại: Cảm biến điện hoá dùng chất điện phân rắn làm cảm biến điện, xúc tác, cảm quang + Cấu tạo nguyên lý hoạt động X2(Pc) Chất điện phân rắn X2(P) E Hình 20 Sơ đồ cấu trúc cảm biến thành phần khí dùng chất điện phân rắn Trên hình 7.20 minh hoạ cấu tạo cảm biến điện hố dùng chất điện phân rắn Trong chất điện phân rắn làm vật liệu không thẩm thấu chất khí dẫn điện ion chứa ion Xn- Hai phía chất điện phân rắn hai điện cực dẫn điện điện tử, trơ mặt hố học có chất Chất khí phân tích dạng ngun chất hồ tan chất lỏng trạng thái cân với hệ khí hố học Chất khí phân tích dẫn đến hai phía chất điện phân rắn với áp suất P Pc Ở điện cực xảy phản ứng dạng: (7 14) X  ne  X n X2 chất khí phân tích; n- số điện tử trao đổi phản ứng với điện cực; Xn- ion chứa chất điện phân rắn 219 Trong điều kiện lý tưởng hai điện cực xuất sức điện động E biểu diễn dạng RT P E ln 2nF Pc (7 15) R- số khí lấy 8,317J/mol.K; F - số Faraday 9,65.103C/gmol; n- số điện tử; T- nhiệt độ K; P - Pc - áp suất hai phía điện cực Thay vào (2.178) ta T P (7 16) E  0,9926.104 log n PC Từ (7.20) biết nhiệt độ, áp suất riêng phần điện cực chẩn P C ta đo áp suất chất khí cần đo nồng độ P Thơng thường giá trị E thường khoảng vài chục đến vài trăm mV - Yêu cầu chất điện phân rắn phải thoả mãn số tiêu chí như: Tổng trở lớn, tính chất hố lý, học phải ổn định, trơ mặt hố học chất khí vật liệu tiếp xúc - Điện cực so sánh cần đảm bảo trì chế độ cân nhiệt động trình sử dụng Hệ so sánh thể chất khí (ngun chất hồ tan khí trơ) hỗn hợp chất khí hỗn hợp chất rắn Ví dụ: O2/khơng khí, H2/H2O, CO/CO2 Cu/Cu2O, Ni/NiO, Pd/PdO, Ag/AgCl - Điện cực đo vật dẫn điện tử, trơ mặt hoá học với chất điện phân chất khí phân tích, ngồi cịn phải có tính chất xúc tác phản ứng điện cực để tăng độ nhạy giảm thời gian hồi đáp cảm biến Các điện cực thường làm Platin Bạc 220 Phụ Lục Hướng dẫn sử dụng “bảng tham chiếu” Các “bảng tham chiếu” xây dựng dựa đặc tính chuẩn hóa cảm biến, thực việc đo nhiệt độ với cảm biến có cảm biến nhiệt điện trở cảm biến nhiệt điện, bảng tham chiếu nhiệt điện trở có dạng tương tự sau: Hình pl.1 Bảng tham chiếu đặc tính cảm biến nhiệt NTC Tương ứng với cột giá trị điện trở màu cam cột giá trị nhiệt độ màu xanh bên trái, với bảng tham chiếu ta đo giá trị điện trở cảm biến, giá trị tồn bảng ta đọc giá trị nhiệt đo đo Trong trường hợp giá trị điện trở không tồn bảng ta phải dùng phương pháp nội suy tuyến tính để tính giá trị đó, cách tính nội suy giới thiệu phần sau Với cảm biến cặp nhiệt điện ta có bảng tham chiếu sau: 221 Hình pl.2 Bảng tham chiếu đặc tính cảm biến cặp nhiệt điện loại J Trong bảng tham chiếu cảm biến cặp nhiệt điện, tương ứng với giá trị điện áp cột màu cam giá trị nhiệt độ cột màu xanh bên trái Cũng tương tự bảng tham chiếu cảm biến nhiệt điện trở, giá trị điện áp cảm biến khơng có bảng ta phải áp dụng phép tính nội suy để tìm giá trị Hướng dẫn tính nội suy tuyến tính Giả sử bảng tham chiếu ta có cặp giá trị liền kề điện trở - nhiệt độ (hoặc điện áp – nhiệt độ với cảm biến cặp nhiệt điện) R1 – T1 R2 – T2, ta cần tìm giá trị nhiệt độ tương ứng với giá trị điện trở R x với R1